Systemy satelitarne, TECHNIKI SATELITARNE
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
S
YSTEMY
SATELITARNE
1. Systemy satelitarne
Podstawowe wykorzystanie przestrzeni okołoziemskiej sprowadza się obecnie do wynoszenia i umieszczania na
odpowiednich orbitach satelitów, służących celom badawczym oraz utylitarnym. Intensywny rozwój takich
dziedzin jak telekomunikacja, nawigacja, badania środowiska naturalnego, przewidywanie klęsk żywiołowych,
monitorowanie i planowanie upraw itp. automatycznie wymusza rozwój technik satelitarnych, z którymi
wymienione dziedziny są ściśle powiązane. Agencje państw zaangażowanych w przedsięwzięcia kosmiczne
kładą co prawda nacisk na szeroko rozumianą eksplorację przestrzeni kosmicznej, jednak w ich polu widzenia
znajduje się również rozwój technologii systemów satelitarnych pełniących role użytkowe. W szczególności
trwają prace nad:
– zarządzaniem istniejącą infrastrukturą satelitarną oraz rozwojem technologii infrastruktury satelitarnej
następnej generacji,
– rozwojem platform satelitarnych i robotyzacją przestrzeni kosmicznej.
– zagadnieniami związanymi z rozwojem autonomii bezzałogowych pojazdów kosmicznych,
– rozwojem systemów wielosatelitarnych,
– wydłużeniem czasu działania satelitów (m.in. poprzez naprawy na orbicie),
Infrastruktura serwisuj
ą
ca
Punktem wyjścia do realizacji
przyszłych systemów satelitarnych jest
konieczność obniżenia relatywnych
kosztów ich użytkowania (ceny misji
w odniesieniu do czasu użyteczności
satelitów). Można to osiągnąć poprzez
wydłużanie czasu użytkowania
poszczególnych satelitów, czy to
poprzez umożliwienie ich naprawy lub
modernizacji na orbicie, czy też poprzez
korygowanie samej orbity (np. jej
podniesienie, gdy po latach satelita
opadnie poniżej założonego pułapu
w wyniku hamującego wpływu górnych
warstw atmosfery) przy pomocy
dodatkowego pojazdu usługowego. Realizowane obecnie programy zaczynają uwzględniać te potrzeby już na
etapie projektowania satelity. Należy oczekiwać, że zagadnienie konstrukcji satelitów przystosowanych do
obsługi przez autonomiczne systemy transportowoserwisujące (czyli wykonujące operacje napraw na orbicie,
uzupełniania paliwa, korekcji orbity, itp.) stanie się zagadnieniem priorytetowym w perspektywie najbliższych
5–10 lat. W szczególności, dokładnej analizie podlegać będą problemy związane z:
– modułowością satelitów,
– rozwojem i standaryzacją interfejsów wewnętrznych modułów pod kątem ich przystosowania do
łatwego przyłączenia i odłączenia,
– rozwojem i standaryzacją interfejsów zewnętrznych modułów w
celu umożliwienia ich montażu i demontażu przez autonomiczne
jednostki serwisujące,
– rozwojem urządzeń dokujących dla systemów transportowych
i serwisujących,
– autonomią systemów sterowania lotem (dolot do celu
i dokowanie),
– autonomią procedur wymiany podzespołów i tankowania.
–
Obecnie realizowanych jest kilka dużych przedsięwzięć związanych
z orbitalnymi systemami serwisującymi. Do najważniejszych można
zaliczyć misje DART, Orbital Express, Orbital Recovery. W ciągu
Artystyczna wizja satelity CXOLEV,
przeznaczonego do zmiany orbit
innych satelitów (ESA)
System serwisowania i tankowania satelitów Orbital Express (DARPA)
następnych pięciu lat część z wymienionych rozwiązań zostanie wdrożona w praktyce, a do roku 2020 systemy
serwisujące i transportowe staną się nieodzownym elementem infrastruktury orbitalnej.
Konstelacje satelitarne
Innym oczekiwanym aspektem rozwoju infrastruktury orbitalnej
jest rozbudowa konstelacji satelitarnych. Konstelacje satelitarne
nie są niczym szczególnie nowym w świecie technologii
kosmicznych. Mianem tym określa się wszelkie systemy
wielosatelitarne, w których każda platforma działa indywidualnie
i znajduje się przez większość czasu w dużej odległości od
platform sąsiednich. Celem budowy konstelacji jest pokrycie
zasięgiem jak największego obszaru globu w taki sposób, aby
operator konstelacji mógł dotrzeć ze swoimi usługami do
możliwie największej liczby odbiorców. Ze względu na
przeznaczenie, konstelacje można podzielić na kilka typów,
z których największe znaczenie mają dzisiaj systemy nawigacji
satelitarnej. Również planowane na najbliższe lata wielkie
inwestycje w sektorze kosmicznym skupiają się na nowo
powstających lub osiągających operacyjny stopień rozwoju
konstelacjach satelitów nawigacyjnych, takich jak europejski
Galileo, rosyjski Glonass i być może systemy chińskie lub
hinduskie. Podobnie jak w przypadku amerykańskiego systemu GPS, można się spodziewać intensywnego
wykorzystania usług świadczonych przez te systemy w najróżniejszych dziedzinach gospodarki.
Po nawigacji kolejnym intensywnie rozwijanym zastosowaniem konstelacji jest telekomunikacja. Co prawda od
ekonomicznego fiaska programu Iridium idea tworzenia konstelacji telekomunikacyjnych straciła nieco na
atrakcyjności w oczach potencjalnych inwestorów, istnieją jednak systemy o podobnym charakterze (np.
Globalstar), które prosperują całkiem dobrze. Operatorzy tych systemów planują ich dalszą rozbudowę jak
i tworzenie konstelacji satelitarnych następnej generacji. Zważywszy na dynamicznie rosnące potrzeby
społeczeństw w dostępie do usług teleinformatycznych, można oczekiwać dalszego rozwoju tego typu usług
również w oparciu o infrastrukturę orbitalną.
W ostatnich latach istotnym elementem infrastruktury orbitalnej stały się satelity monitorujące powierzchnię
Ziemi. Ilość i dokładność informacji dostarczanych przez tego typu systemy stale się poprawia, a ich dostępność
i znaczenie rośnie. Z rosnącym zapotrzebowaniem na tego typu dane wiąże się konieczność tworzenia
konstelacji satelitów teledetekcyjnych. W nadchodzących latach należy się spodziewać przede wszystkim
poprawy rozdzielczości systemów obrazujących (10cm dla zakresów optycznych i do 0.5m dla systemów
radarowych), ale i zwiększenia częstotliwości wykonywania obrazowań danego terenu poprzez współpracę
wielu satelitów w ramach jednej konstelacji.
Formacje satelitarne
Kolejną istotną gałęzią rozwoju infrastruktury satelitarnej są
formacje satelitarne, czyli zespoły satelitów poruszających się
w zwartej grupie i wypełniających wspólne dla całej grupy
zadanie. Dzięki rozwojowi formacji możliwa stanie się realizacja
przyrządów rozproszonych, takich jak interferometryczne
teleskopy o niespotykanej dzisiaj rozdzielczości. Dzięki
formacjom możliwa stanie się również budowa i składanie
wielkich struktur w kosmosie, czy wręcz wynoszenie
satelitarnych na raty. Zmiana filozofii misji w kierunku
wykorzystania dużej liczby współpracujących ze sobą
niewielkich obiektów znacznie zwiększy elastyczność
i możliwości projektowanych systemów. Dalekosiężne cele
nakreślone w programach badawczych agencji kosmicznych
zakładają gwałtowny rozwój formacji satelitarnych w ciągu
Misja DARWIN, wykorzystujący formację satelitów
jako interferometr do wyszukiwania planet
pozasłonecznych (ESA)
Konstelacja systemu nawigacyjnego GALILEO
(Astrium
)
najbliższych 10– 15 lat. Przykładowe instrumenty, jakie w latach 2010–2020 planuje się zrealizować w oparciu
o formacje satelitarne, to:
–
interferometryczne teleskopy o rozdzielczości umożliwiającej wykrycie i badanie planet
pozasłonecznych (misje DARWIN, TPF),
–
teleskopy o bardzo długich ogniskowych i wysokiej rozdzielczości, pracujące w różnych zakresach fal
elektromagnetycznych (misje MAX, SIMBOLX, ASPIX)
–
systemy detektorów fal grawitacyjnych (LISA)
Bardzo dobrym przykładem szerokiej ekspansji idei formacji satelitarnych może być aktualnie wprowadzany
program naukowy ESA o nazwie „Cosmic Vision”. Program ten ma w założeniu objąć najpoważniejsze misje
naukowe realizowane przez agencję w ciągu następnego dziesięciolecia. W końcu 2007 roku ESA dokonała
selekcji ośmiu propozycji projektów, z których cztery będą realizowane w przyszłości. Selekcja obejmowała
kilkadziesiąt propozycji nadesłanych przez, głównie europejskie, konsorcja. Wśród tych propozycji znaczącą
ilość stanowiły propozycje misji całych formacji satelitarnych. Wśród wyselekcjonowanych ośmiu misji dwie
(bardzo poważnie brane pod uwagę) dotyczą właśnie formacji satelitarnych: CROSS SCALE i XEUS. CROSS
SCALE jest wzmiankowany w poprzednim rozdziale i dotyczy formacji 1012 niewielkich satelitów
rozłożonych w trzech, wzajemnie przenikających się obszarach o rozmiarach: 10cio kilometrowym („electron
scale”), 500set kilometrowym (formacja „ion scale”) i 5000 kilometrowym (formacja „fluid scale”). Misja
XEUS jest natomiast formacją dwóch bardzo dużych obiektów orbitujących bardzo blisko siebie.
XEUS to teleskop promieniowania X. Podstawową cecha tego typu instrumentów jest układ ogniskowania
promieniowania X na detektorze o ogniskowej rzędu kilkudziesięciu metrów. Układ ogniskujący takiego
teleskopu to masywny, ważący kilka ton, zestaw masek. Detektor to również masywny, choć lżejszy od układu
ogniskującego, zestaw kilku typów, częściowo chłodzonych, wielosegmentowych detektorów.
W oficjalnym dokumencie złożonym do ESA i opisującym założenia dla projektu XEUS jego autorzy (41
znanych naukowców i eksperymentatorów, głównie z Europy, USA i Japonii kierowanych przez Martina
Turnera z Department of Physics and Astronomy, University of Leicester w Wielkiej Brytanii oraz Günthera
Hasingera z MaxPlanckInstitut für extraterrestrische Physik, Garching w Niemczech) zdają sobie sprawę z
trudności wyniesienia na orbitę obiektu o wadze sześciu ton i długości kilkudziesięciu metrów. Dlatego
proponują jednoczesne wyniesienie do punktu L2 w układzie SłońceZiemia dwóch obiektów na pokładzie
rakiety Ariane5 ECA: satelity nazwanego MSC (Mirror Spacecraft) o wadze 4200kg oraz satelity DSC (Detector
Spacecraft) o wadze 2125kg. Oba obiekty będą orbitowały we wspólnej formacji w oddaleniu 35 metrów od
siebie a wynikowa niedokładność ustalenia położenia obu obiektów względem siebie nie może być większa niż
1mm. Założenie jest trudne do spełnienia, tym bardziej, że oba obiekty razem mają stanowić jeden teleskop.
MSC powinien być, w zależności od zadania misji, nakierowywany na różne obiekty astronomiczne, a DSC
powinien za nim nadążać z zadaną dokładnością umożliwiając jednocześnie ustawienie w ognisku MSC różnych
fragmentów detektorów (w zależności od typu obserwacji różne fragmenty zespołu detektorów będą używane).
Satelita MSC posiadać będzie typowy zestaw aparatury AOCS (Altitude and Orbital Control System)
pozwalający na względnie dokładną, trzyosiową stabilizację pozycji MSC na orbicie. Satelita DSC, poza
typowym układem AOCS będzie wyposażony w dodatkowy, specjalizowany system „formationflying package”
realizujący stabilizację pozycji DSC względem MSC z zadaną precyzją.
Formacja dwóch satelitów tworzących teleskop XEUS: lewy obiekt to DSC o masie ponad 2 tony, prawy obiekt
to MSC o masie ponad 4 tony, obiekty oddalone o 35 metrów ich względna pozycja utrzymywana z
dokładnością do 1mm. Rysunek pochodzi z dokumentu złożonego do ESA przez konsorcjum XEUS.
Zanim dojdzie do realizacji tych ambitnych przedsięwzięć, musi się dokonać znaczący postęp technologiczny
w wielu dziedzinach. W związku z tym na lata 20062010 przewidziano realizację szeregu misji
technologicznych oraz projektów badawczych, mających na celu dopracowanie metod nawigacji formacją,
kontroli położenia względnego obiektów w formacji, komunikacji, itp.
Intensywny rozwój technik satelitarnych w ostatnich latach ugruntował znaczenie infrastruktury kosmicznej jako
źródła wielu usług, takich jak nawigacja czy obrazowanie powierzchni Ziemi. Należy oczekiwać, że ilość
aplikacji wykorzystujących informacje dostarczane przez satelity będzie systematycznie rosła. Obecne
uwarunkowania i tendencje rozwoju infrastruktury orbitalnej otwierają jednak szereg możliwości, które
pozwalają na włączenie się w ten proces również państwom o mniejszym potencjale gospodarczym i naukowym
niż czołowi gracze branży kosmicznej. Stwarza to również szanse dla Polski. Jak dotąd, Polska jest jedynie
odbiorcą usług dostarczanych przez systemy satelitarne, należy jednak oczekiwać, że wkrótce polskie instytucje
podejmą szereg prób realizacji projektów satelitarnych w ramach konsorcjów krajowych współpracujących
z doświadczonymi w tej dziedzinie partnerami zagranicznymi.
Opracowanie: R. Wawrzaszek
Redakcja: B. Dąbrowski
[ Pobierz całość w formacie PDF ]