Misja Rosetta

Badania kosmiczne w Polsce:
Misja Rosetta
Marek Banaszkiewicz
Centrum Badań Kosmicznych PAN
16/03/2009
1
Co się bada?
• Wszechświat => astrofizyczne misje kosmiczne z
udziałem polskich zespołów naukowo-inzynierskich:
Integral, Herschel, IBEX, BRITE, Juice
• Układ Słoneczny (Słońce, Księżyc, planety, komety
asteroidy, przestrzeń międzyplanetarna) => misje Vega,
Cassini-Huygens, Mars Express, Rosetta, Bepi
Colombo, Solar Orbiter)
• Ziemię i jej otoczenie (jonosfera, magnetosfera) => misje
Apex, Koronas, Cluster, Demeter, Taranis, Rezonans,
ENVISAT, SMOS
• Procesy fizyczne w warunkach kosmicznych – MSK
• Nowe technologie satelitarne i kosmiczne
•18/05/2013
Człowieka w kosmosie => medycyna kosmiczna
2
Kto bada?
• Uczelnie: PW, PWr, WAT, AGH, PRz,
UAM, UMK, UWM, UW, ...
• Instytuty badawcze: Ilot, PIAP, IGiK, ILM,
PIG, IUNG, ITWL, WIML, IMGW, …
• Instytuty PAN: CBK, CAMK, CFT, ITTP,
IO, ING, IFJ, …
• W sumie ponad 70 grup badawczych: CBK (120
osób), PW (50 osób), CAMK, IGiK, Ilot, WAT (25
osób), w sumie około 400-500 osób
18/05/2013
3
Rola sektora badawczego
• Badawcza => udział w misjach kosmicznych i
interpretacja danych z misji
• Inicjująca => ESA i wiele agencji narodowych
powstało w wyniku działań środowisk naukowych
• Rozwojowa => technologie kosmiczne są w dużej
mierze rozwijane w instytutach i uczelniach
• PR => osiągnięcia sektora kosmicznego są przez
obywateli postrzegane jako wynik misji naukowych
• Edukacyjna => kształcenie nowych generacji
naukowców i inżynierów
18/05/2013
4
Związki nauka-przemysł-użytkownicy
Nauka
Definicja nowych
produktów
Nowe technologie
Instrumenty i platformy
Rozpowszechnianie
wyników
Analiza misji
Produkty,
usługi
Użytkownicy
Przemysł
Walidacja
18/05/2013
5
Rozwój sektora badawczego w
Polsce
• Udział w przyszłych misjach kosmicznych ESA:
Juice, LOFT, EChO, inne
• Wiodąca rola w 2-3 dziedzinach badań i
konstrukcji instrumentów za 10 lat
• Integracja sektora aplikacji (40 ośrodków
wykorzystujących teledetekcję satelirtarną w
Polsce)
• Ścisła współpraca z przemysłem
• Harmonizacja udziału w ESA i peogramu
narodowego
18/05/2013
6
Przykład: CBK
• 70+ instrumentów lotnych
• Udział w najważniejszych
misjach ESA
• Dobry balans pomiędzy
nauką, technologią i
zastosowaniami
• Ekspertyza w
procedurach i
standardach ESA
• Przemysłowy
charakter wielu
projektów
16/03/2009
Krajobraz polskiego sektora
kosmicznego (>150 rejestracji w EMITS)
• Sektor badawczy (~30 podmiotów)
– Uczelnie: PW, PWr, WAT, AGH, PRz, UAM, UMK, UWM, UW, ...
– Instytuty badawcze: Ilot, PIAP, IGiK, ILM, PIG, IUNG, ITWL,
WIML, IMGW, …
– Instytuty PAN: CBK, CAMK, CFT, ITTP, IO, ING, IFJ, …
• Sektor przemysłowy (~20+ podmiotów)
– Duży narodowy: BUMAR, WB Electronics, Hertz, Asseco+ dolina
lotnicza
– Duży ponadnarodowy: Astri Polska, GMV, Sener, Avio Polska,
– Średni i mały: Cryotech, Geosystems, SmallGIS, Wasat, ITTI,
PikTime, Radiotechnika, KosmonautaNet, KEN Bit + wiele firm
nowopowstałych
16/03/2009
Oczekiwania i strategie
• Przemysł
– Profit
– Długoterminowa stabilność zleceń
– Bufor w postaci aktywności pozakosmicznej
• Sektor badawczy
– Udział w misjach kosmicznych
– Dostęp do danych
– Komercjalizacja badań => samofinansowanie
• Administracja
– Odzyskanie składki do ESA i UE (programy ramowe)
– Wsparcie innowacyjności
– Dobrej pozycji sektora na rynku
16/03/2009
9
Źródła finansowania
• ESA – 30+ mln € rocznie
• KE – Polski udział w Galileo, Copernicus,
H2020, 3% od 10 bln € => 300 mln € w ciągu 7
lat => ~40 mln € rocznie
• Narodowe (NCBIR, NCN, programy specjalne)
=> szacunkowo 250 mln € do 2020 => ~35 mln
€ rocznie
• Fundusze regionalne (Mazowsze, Podkarpacie,
Małopolska , ..) ???
• Razem > 110 mln € (być może 130-150 mln €)
16/03/2009
Kryteria wyboru obszarów
interwencji
• Tam gdzie jesteśmy dobrzy: nauka, konstrukcja
instrumentów, podsystemy satelitarne,
przetwarzanie danych (GNSS, Obs. Ziemi)
• Tam gdzie wspiera to politykę państwa:
zarządzanie kryzysowe, bezpieczeństwo,
serwisy i produkty Galileo i Copernicusa
• Tam gdzie konkurencja w ESA jest rozsądna:
nowe technologie, nowe serwisy w obszarze
zastosowań, współpraca z Prime Contractors
16/03/2009
Jak?
• Klucz: organizacja współpracy i konkurencji wśród polskich
instytucji/podmiotów
• Wykorzystanie dotychczasowego dorobku => transfer
wiedzy nauka –> przemysł
• Otwarcie na wszystkie obszary aktywności kosmicznej przy
zachowaniu ostrożności w inwestowaniu
• Budowanie programu narodowego przy wykorzystaniu
istniejących instrumentów finansowych (np. programy
strategiczne NCBiR)
• Inwestycje w infrastrukturę (laboratoria i warsztaty) i ludzi
(inżynieria kosmiczna i satelitarna)
16/03/2009
16/03/2009
Dlaczego badamy komety
• Jądra komet to planetezymale utworzone we wczesnym
stadium powstawania układu słonecznego
• Wnętrza komet zawierają (zapewne) pierwotną materię
sprzed 4.5 mld lat
• Zewnętrzny dysk planetarny odegrał istotna rolę w
dynamice planet
• Uderzenia komet kształtowały powierzchnie planet
wewnętrznych
• Bogate w substancje organiczne komet być może
przyczyniły się do powstania życia na Ziemi?
16/03/2009
14
Komety - dynamika
• Niezaburzone komety poruszają się
po orbitach eliptycznych
• Rodziny komet:
– Outer Oort cloud: a > 15000 j.a
– Inner Oort cloud: 2000 < a < 15000 j.a
– Outer disk: 50 < a < 2000 j.a.
– Kuiper belt: 35 < a < 50 j.a.
– New comets: 1/a < 200x10-6 j.a.-1
– Long-period comets: P>200 yr
– Short-period comets: P<200 yr
• Halley-type comets
• Jupiter-family comets
• Perturbacja: bliskie gwiazdy, pływy
galactyczne, planety, sublimacja
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
15
Komety - morfologia
• Jadra komet są mieszaniną
lodu, ziaren pyłu i
substancji organicznych
• Gdy kometa zbliża się do
Słońca lód sublimuje i
unosi ze sobą ziarna pyłu
• Aktywność komet jest silnie
niejednorodna na
powierzchni
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
16
Misje do komet
• NASA mission to comet Giacobini-Zinner (1985)
• Missions to P/Halley (1986) – Giotto (ESA), Vega 1&2
(Soviet), Suisei (J)
• Stardust: Wildt-2 (2004), Tempel-1 (2011)
• Deep Space 1: Borelly (2001)
• Deep Impact : Tempel-1 (2005) and Hartley-2 (2010)
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
17
Misja ESA Rosetta
• Cel: kometa okresowa TchurumovGerasimenko
• Przygotowania: 1995-2003
• Start: 2 marzec, 2004; spotkanie z
kometą: 2014
• Dwa obiekty: statek Rosetta & ladownik
Philae
• Skomplikowana trajektoria: 4 manewry w
pobliżu planet, 2 spotkania z asteroidami
• Masa: Rosetta – 3000 kg (100 kg
instrumenty), Philae – 100 kg (20 kg
instrum.)
• 28/09/2013
Koszt: 1 mld €
MMAR, Międzyzdroje
18
Scenariusz misji
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
19
Rosetta – cele badawcze
• Characteryzacja jądra komety: procesy fizyczne,
morfologia, structura
• Określenie składu chemicznego, włączajac
enancjomery
• Studium aktywności kometarnej i jej zmian w
czasie
• Badanie asteroidów
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
20
Rosetta – statek orbitalny
Główny statek, orbiter, ma wymiary d
2.8 x 2.1 x 2.0 metrów; są na nim
zamontowane podsystemy i
instrumenty .
Dwa 14-metrowe panele słoneczne
mają całkowitą powierzchnię 64
metrów kwadratowych.
Po jednej stronie orbitera
umieszczona jest 2.2-metrowa
antena komunikacyjna – sterowana
antena wysokiego zysku. Lądownik
przymocowany jest po przeciwnej
stronie.
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
21
Rosetta – instrumenty orbitera
The Rosetta orbiter has eleven scientific instruments:
ALICE Ultraviolet Imaging Spectrometer
CONSERT Comet Nucleus Sounding
COSIMA Cometary Secondary Ion Mass Analyser
GIADA Grain Impact Analyser and Dust Accumulator
MIDAS Micro-Imaging Analysis System
MIRO Microwave Instrument for the Rosetta Orbiter
OSIRIS Rosetta Orbiter Imaging System
ROSINA Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis
RPC Rosetta Plasma Consortium
RSI Radio Science Investigation
VIRTIS Visible and Infrared Mapping Spectrometer
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
22
Rozmieszczenie instrumentów
16/03/2009
Rosetta - trajektoria
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
24
Lądownik Philae
• Cel: badanie powierzchni
i warstw
podpowierzchniowych
jadra komety
• Główne wyzwanie
technologiczne – odbicie
przy ladowaniu
• Czas pracy (nominalny): 5
days
• Zasilanie: panele
słoneczne + baterie
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
25
Philae - instrumenty
The Rosetta lander has nine scientific instruments:APXS Alpha Proton X-ray Spectrometer
ÇIVA / ROLIS Rosetta Lander Imaging System
CONSERT Comet Nucleus Sounding
COSAC Cometary Sampling and Composition experiment
MODULUS PTOLEMY Evolved Gas Analyser
MUPUS Multi-Purpose Sensor for Surface and Subsurface Science
ROMAP RoLand Magnetometer and Plasma Monitor
SD2 Sample and Distribution Device
SESAME Surface Electrical and Acoustic Monitoring Experiment,
Dust Impact Monitor
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
26
Rozmieszczenie instrumentów
16/03/2009
MUPUS – the team (D, PL, A, UK,
USA, F)
The MUPUS Team:
Prof. T. Spohn, IfP, PI
Dr. K. Seiferlin, IfP, Project Manager, Co-I, science
Prof. T. J. Ahrens, CIT, science support
Dr. A. J. Ball, IfP, Co-I, science
Dr. J. Benkhoff, DLR-BA, science
Dr. M. Banaszkiewiecz, SRC, Co-I, Technical Manager, flight software and science
S. Gadomski, SRC, Electronics engineer
J. Grygorczuk, SRC, Mechanical engineer
Dr. W. Gregorczuk, sensor manufacturing
Dr. A. Hagermann, science support
Dr. M. Hlond, SRC, EGSE and flight software
Dr. W.-H. Ip, MPAe, science support
Prof. C. Jaupart, IPGP, science support
Dr. G. Kargl, IWF, Technical Manager ANC-M, ANC-T, AIV, science
T. Keller, IWF, IfP, science support
Dr. J. Knollenberg, DLR-BA, Technical Manager TM, science
Dr. N. I. Kömle, IWF, Co-I ANC-M, ANC-T, science
Dr. K. Kossacki, UW, science support
J. Krasowski, SRC, electronics
Dr. E. Kührt, DLR-BA, Co-I TM, science support
M. R. Leese, UKC, science support
Prof. J. Leliwa-Kopystynski, UW, science support
Dr. I. Mann, CIT, MPAe, science support
Dr. W. Marczewski, SRC, sensor development, EMC, tests
Dr. T. Morgan, SWRI, science support
Dr. J. C. Zarnecki, UKC, Co-I, science support
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
28
MUPUS – rzut oka
• Kilka instrumentów
rozmieszczonych na
lądowniku
• Główny cel: pomiary profilu
temperatury i przewodnictwa
cieplnego jadra
• Główny instrument:
samowbijający się penetrator
wysuniety przy pomocy
specjalnego systemu
• Główny wkład techniczny do
MUPUSu dało CBK – jako
podkontraktor DLR
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
29
MUPUS – położenie
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
30
Jak tworzy się instrumenty
kosmiczne
• Wymagania
– Naukowe: co badamy, jakich sensorów uzywamy
– Techniczne: jak zbudować sensory w ramach przyznanego budzetu
• Zaprojetkowanie i zbudowanie prototypu
• Model structuralny i termiczny
• Poprawianie projektu, rozwój technologii
• Model inzynieryjny
• Testy
• Model lotny i zapasowy
• Testy (umiarkowane)
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
31
Penetrator
Hammer:
Dim: 70x120 mm
Weigh: 300 g
Sensor tube:
10x400 mm
Prototype of the penetrator with the hammering
28/09/2013
MMAR,device
Międzyzdroje
32
Penetrator – hammering mechanism
DRIVE: electromagnetic,
a capacitor discharging
by a coil
POWER: consumption 1.5 W / output peak 2
kW
VALUES: C=24F/600V
hammer energy – 1J
Hammer speed – 9 m/s
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
33
Penetrator – principle of operation
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
34
Hammering action
energy stored in a capacitor (4J), EM drive
(~1J), penetration force equivalent to 500N of
static force
INITIAL FORCE 1N
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
35
Penetrator - development
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
36
Deployment
• A pair of tubular
booms => stable
against torsion only in
microgravity
• Stored on spools
• Powered by a stepper
motor
• Lenght of deployment
controled by an
encoder that counts
the number of turns
28/09/2013
Weight: 1.5 kg
Over 200
constructed
parts
MMAR, Międzyzdroje
37
Extension mechanism
Transport penetrator
from the lander to
the cometary soil
Unwind two tubular,
C-shaped booms
made of stainless
steel (Ukraine)
Distance: 1 m
Speed: 0.25 m/s
Stepper motor:
Escape P430
redesigned
28/09/2013
MMAR, Międzyzdroje
38
16/03/2009
39
16/03/2009