ISS, Hubble, meg az égi mechanika
2009.05.17. 02:12
Úton van az utolsó Hubble szervíz-misszió, az Endeavour pedig startra készen vár, amennyiben valami gubanc történne. De miért is kell mentőűrhajó, miért nem lehet csak úgy elrepülni az űrállomáshoz a Hubble-tól? Hisz a filmekben olyan egyszerű, csak beindítják a hajtóműveket és huss...
(Figyelem, alant meglehetősen száraz, tudományos dolgok következnek! Aki a végeredményre kíváncsi, az hagyjon ki pár bekezdést.)
A dolog teljes megértéséhez nem árt egy kis égi mechanikai gyorstalpaló (mazochistáknak):
A pályánk jelen esetben ellipszispálya. Az ellipszis nagyságát és elnyúltságát a fél nagytengelye (a) és excentricitása (e) határozza meg. Ezt az ellipszist valahogy el kell helyezni a térben, jelen esetben a Föld körül. Ehhez kijelölünk egy alapsíkot, az Egyenlítő mentén és egy kitüntetett irányt a tavaszpont (vernal equinox) felé. Ezekhez képest lehet megadni a pálya térbeli helyzetét, méghozzá három szöggel (igen, lassan füstöl az agy): a pályasík és az alapsík közötti szög az inklináció vagy pályahajlás (i). Ha ez nem nulla, a pálya két pontban metszi az alapsíkot, a felszálló és leszálló csomóban. A síkok metszésvonala a csomóvonal (line of nodes). A felszálló csomó iránya és a tavaszpont iránya közti szög a felszálló csomó hossza (Ω). Most már csak a nagytengely irányát kell megadni, hogy merre van legközelebb illetve legtávolabb a Földtől a test. Ezt a szöget a csomóvonal és a földközelpont, a perigeum (line of perigee) között mérik, és a neve pericentrum argumentuma (ω). Ez az öt pályaelem (a, e, i, Ω, ω) mellett még egy szám kell, ami megadja, hogy a test épp hol jár egy adott időpillanatban a pályán. A fenti ábrán ezt a perigeumtávolsággal jellemzik (ν) de más módok is vannak erre. Ez a hat adat egyértelműen meghatározza az égitest pályáját és helyzetét a központi test körül.
Egy űreszköz pályájának módosítása energiát, így üzemanyagot igényel. A módosítás mértékét a Δv (delta-v) sebesség típusú mennyiséggel jellemezzük, azaz a pálya megváltoztatásához szükséges sebességkülönbséget számoljuk ki. Ez alkalmazható arra az esetre is, ha az űreszközünk nem kerül magasabb vagy alacsonyabb pályára, csak valamelyik szöget, például az inklinációt módosítjuk.
A Föld körül a navigáció nem úgy működik, mint idelent, talán ez már fentebb is kiderült. Két eltérő pályán keringő műhold között nem lehet csak úgy "átruccanni". Ha csak megcéloznánk azt a pontot, ahol a randevúra sort lehetne keríteni, és begyújtanánk a rakétákat, puskagolyóként húznának el egymás mellett az ojjektumok (illetve pontos célzás esetén így járnának). Nem, a pályákat szépen egymáshoz kell igazítani.
A másik dolog az üzemanyag. A rakéta-elvű közlekedés nagyon egyszerűen működik: elégetve az üzemanyagot, az valamilyen sebességgel kiáramlik az addig vele egy egységet alkotó rakétából, amitől a rakéta "hasznos" fele az ellentétes irányba mozdul el. Ennyi, semmi varázslat, meg dilítium-kristályok. Az ezáltal nyerhető delta-v-t pedig egyszerűen a teher és a felhasznált üzemanyag tömegaránya, illetve annak kiáramlási sebessége határozza meg, ahogy rakéta-egyenletében Ciolkovszkij már 1903-ban leírta. (Ezért szeretjük egyébként az ionhajtóművet, mert ott az ionokat tízszer akkora sebességre lehet gyorsítani egy kellemes ezer volt körüli térrel, mint amit a kémiai hajtóművekből kiáramló gázzal produkálni lehet. 10x akkora sebesség -> 10x akkora delta-v egykiló üzemanyagból!)
Két körpálya közötti leggazdaságosabb út a Hohmann-féle transzferpálya. Az ábrán az egyes, alacsonyabban lévőről tartunk a hármasra. A pályamódosítás során kétszer, rövid időre gyújtja csak be a hajtóművet az űreszközünk: először a kettes ellipszisre módosítunk (alsó delta-v vektor). Utána várunk, amíg a kellő távolságba ér (praktikusan az ellipszis földtávolpontjánál), majd egy újabb lökettel az ellipszisből kört csinálunk és voilá, meg is érkezett a műhold a magasabb pályára. Visszafelé ugyanígy, csak a delta-v vektorok fognak ellentétes irányba mutatni. Ez így nem tűnik bonyolultnak, és nem is túl költséges dolog. Csakhogy ez kétdimenziós példa, a valóságban viszont a pályák mindenfelé állnak a térben. A pályamagasságnál pedig sokkal többe kerül a pálya hajlását megváltoztatni.
Akik eddig tartották az iramot, azok megnyugodhatnak, ennyi tudással már mindent ki tudunk számolni. Lássuk, mibe kerül egy pályamódosítás az ISS-től a Hubble-hoz. A két pálya 390 km és 590 km magasan van a Földfelszín felett, ez nem nagy különbség, mindössze Δv=0,13 km/s. Az inklinációjuk már jobban eltér, az űrállomásé 51˚, míg az űrtávcsőé 28˚, a bajkonuri illetve Cape Canaveral-i indítások sztenderd, legkönnyebben elérhető pályahajlásai. Ekkora váltáshoz v=3,1 km/s sebességkülönbségre van szükség. Az űrsikló súlya tömege körülbelül 70 tonna, a főhajtóművének kiáramlási sebessége 4,4 km/s.
Do the math ->
Nagyjából további 70 tonna üzemanyagra lenne szükség a Hubble-ISS pályamódosításhoz. Azaz a saját tömegén kívül még egyszer annyi üzemanyagot is valahogy magával kéne cipelnie az űrsiklónak! Ezt jelenleg lehetetlen megoldani. Ezért van hát szükség a mentőűrhajóra.
Bónusz fejezet: sokan felvetették/felvetik, hogy miért nem viszik le az űrtávcsövet az ISS-hez. Logikus, nem? Kicsit vesztünk az alacsonyabb pozíción, de bármikor lehet bütykölni a vasat! És az egészhez elég lenne Centaur 2A rakétafokozatot ráapplikálni a Hubble-re. (A 11 tonnás távcső + 5 tonnás hajtóműhöz elég cirka 14 tonna üzemanyag, egy bolygóközi űrszonda útnak indítása is hasonló nagyságrend.) De itt számos probléma felmerül. Legelőször, a Centaur tolóerejét a Hubble strukturálisan nem bírná ki, széttörne. Másrészt az ISS "mélységében" azért a felsőlégkör már van annyira sűrű, hogy zavarná a méréseket, és ott van maga az űrállomás, a maga dolgaival, űrhajók jönnek-mennek, időnként feljebb lökik kicsit az egészet, eközben csomó elhasznált hajtóanyagot szórva szerteszét (a közelben működtenendő űrtávcső elé, neadjisten bele is). Valamint mivel a két űreszköz pályája mindenképp eltér kissé, mert nem lehetnek ugyanazon pontban, ezért szép lassan elmozdulnának egymástól (a Föld gömbtől való eltérései, a többi égitest mint Hold, Nap perturbálják a pályákat). Nem lenne valami jó megoldás, ráadásul egy csomó pénzbe is kerülne, például speciális applikátor készítése az űrtávcső és egy hajtómű összekapcsolására, ilyenek. Ezért sajnos minden valószínűség szerint további öt (+ pár?) év után elbúcsúzunk majd a Hubble-tól, ami szép tűzijátékkal el fog égni a Csendes-óceán felett.
Ajánlott bejegyzések:
A bejegyzés trackback címe:
Kommentek:
A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.
molnibalage · https://militavia.blog.hu/ 2009.05.17. 11:10:21
És lehet majd elmorzsolni egy könycsepett. Mai napig is talán nem alkottak ennyire hosszú életű és ennyire hasznos beredezést az asztronómia történetében.
lacalaca · http://cydonia.blog.hu 2009.05.17. 13:17:26
A Hubble mindig is mérföldkő marad, nagy kár, hogy az űrsiklók sorsa úgy alakult hogy nem maradt küldetés az űrtávcső épségben történő lehozatalára (mint ahogy azt eredetileg tervezték).
is 2009.05.17. 13:38:41
műszakilag pedig elavult, el is készült a következő, így fejlődik a tudomány és technika. makadám utat sem őriztünk meg, pedig micsoda technikai eredmény volt.
molnibalage · https://militavia.blog.hu/ 2009.05.17. 13:59:24
A lehozása meg tényleg felesleges luxus lenne. Szép ötlet, de vannak ennél fontosabb dolgok is.
Kylian 2009.05.17. 14:33:52
lenoardo999 2009.05.17. 16:23:08
KGyST · http://repules.tumblr.com 2009.05.17. 16:25:23
1. Elavult. A JWST infravörös távcső lesz, ami egyszerűen nem fogja ugyanazt az esztétikai élményt nyújtani. Ezzel persze kiröhöghettek, de az űrkutatás PR-ja szempontjából a Hubble egy valódi aranybánya, sokszor az Apollo-programmal versenyez a népszerűsége, nagyságrendekkel drágább programokat szorítva maga mögé. Persze ez elvben senkit sem érdekel, de egy működő demokráciában az adófizetők baromira beleszólnak abba, hogy mire költik a pénzüket. Jó példa erre a napokban indult Palnck és Herschel, valószínűleg a héten hallottunk utoljára róluk, egyik sem alkalmas "látványos" csillagászat művelésére, a Herschelen pl. nincs is igazi kamera, csak spektroszkópiát csinál.
2. Rugalmasság. Az állításoknak pont az ellenkezője igaz, a JWST és az ATLAS (utóbbi, ha megvalósul) az L2-ben nagyon messze lesz ahhoz, hogy az űrben javítható legyen, bár az Orionnal ez nem okvetlen elképzelhetetlen. A Hubble műszerei a LEO-ban könnyen szerelhetők, amit ki is használtak.
3. Van nagyobb is. Tévedés. Ha a JWST fel is megy, akkor is jó a Hubble másodhegedűsnek, attól, hogy már csak a világ második legpotensebb távcsöve, nem kell feltétlenül ellőni.
4. Javítási költségek: már pár éve is felmerült, hogy az SM-4-et nem űrrrepülővel-űrhajósokkal, hanem robottal kellene megcsinálni. Ez a felküldendő kisebb tömeg miatt olcsóbb lenne, emellett a világűrben robotokkal végzett szerelési munka olyan bravúr lenne, hogy arra én is azt mondanám, hogy előrelépett az emberiség. Az akkorra remélhetőleg már nagyüzemben repülő RLV-k (Falcon 1) miatt a kis tömeg LEO-ba állítása NAGYON olcsó lenne. Ráadásul a LEO miatt ha valami bekrepálna, még mindig viszonylag egyszerű lenne egy második rakétával improvizálni valamit. Olcsó tanulópénz lenne.
5. Hardver. A Hubble szerkezete valszeg megfelelő állapotban van, ezen nem kell javítani, a kis tömegű, olcsón szállítható elektronikát kellene csak csereberélni. Ez precedens lenne más eszközök felújításához, mit szólnátok pl. ahhoz, hogy ha egy új Mars-orbiter helyett három (akár elvesztett) másikat újítanának fel a meglévő napelemtáblákkal, műszerekkel, de teljesen új érzékelő elektronikával? (Pl. robotokkal újraélesztenék az MRO-t, stb)
6. Kísérletek. A Hubble alkalmas lenne olyan kísérletezgetésre, mint pl. a New Worlds misszió amihez mindenképpen kelleni fog egy űrtávcső, nem hinném, hogy a JWST távcsőidejének a felét pl. szívesen fordítanák exobolygó-kísérletekre.
Összességében úgy látom, hogy a Hubble tervezett deorbitja sokkal inkább helycsinálás a JWST-nek, mint költséghatékony döntés. De ki tudja.
hyydra 2009.05.17. 16:31:39
lacalaca · http://cydonia.blog.hu 2009.05.17. 18:48:13
@KGyST: Ki tudja, öt év múlva mi lesz? Nyilván addig működtetni fogják, amíg lesz rá elégséges pénz valahonnan (ez ugye triviális), és működőképes lesz, legalább annyira, hogy biztosan végre tudják hajtani a deorbitot. Ezt számos dolog befolyásolja, például a giroszkópok és akkumulátorok öregedése, a pályamagasság csökkenése.
Ha kihúzza még pár évig, akár egy új javítás is elképzelhető, egy Dragon vagy Orion űrhajóval. Robotos javítás kapcsán én szkeptikus vagyok, látván a mostani úton felmerült problémákat. Akárhogy is, egy valag pénzre szükség lenne ebben az esetben is - nem a felbocsátás miatt, hanem az új műszerek gyártása, a robot munkájának megtervezése, szimulálása miatt. De majd kiderül...
Öreg 2009.05.17. 19:07:24
pd_ 2009.05.17. 22:08:16
Csak annyit, hogy mondjuk hajózási példával élve továbblépjünk a partmenti vitorláshajózáson és evezős hajók korán (amik kisebbek egy mai korszerűbb jachtnál), és mondjuk gőzhajózni tudjunk két kontinens (~a Hold, netán Mars) között.
lacalaca · http://cydonia.blog.hu 2009.05.18. 14:20:22
2009.05.27. 18:41:59
a hubble javitas elott mar felkeszitettek a startra, most csak ki kellene pakolni belole ami nem kell, bepakolni az iss-re szant cuccokat, es megnyomni a start gombot
eleg sokmindenhez az szokott lenni a hozzaallas, hogy ami mukodik azt ne piszkaljuk. a nasanal miert "piszkaljak" a mar osszerakott inditoallast?
lacalaca · http://cydonia.blog.hu 2009.05.27. 23:03:57
Ha az Ares-I-X nem csúszott volna meg (muhaha...), akkor az STS-400 sem a 39B-n állt volna ám, csak most így egyszerűbb volt.
2009.05.28. 00:29:42
csak azert csodalkoztam, mert a shuttle mozgatasa mindig egy raklap penzbe kerul, pl californiabol atszallitani floridaba
ezek szerint inditoallast epiteni meg tobbe kerul
viszont akkor felmerul a kerdes, hogyha mentoakciora lett volna szukseg, mekkora kockazatot vallaltak volna a 39B-rol inditassal?
lacalaca · http://cydonia.blog.hu 2009.05.28. 11:14:54
Egyébként olyan szempontból talán olcsóbb is a dolog, hogy az Atlantis elég erőteljesen megtépkedte a starthely alját, a lángterelő árkokat. Ez általában így történik, és ezeket mindig ki is javítják, de ha ott a 39A-n ráadásul egy héten belül fel kellett volna vonultatni az Endeavourt is, hát lett volna munka bőven.