docTechnologie kosmiczne - Polskie Biuro do spraw Przestrzeni
download 
Reklamacja Transkrypt
Technologie kosmiczne - Polskie Biuro do spraw Przestrzeni
Foresight „Przyszłość technik satelitarnych w Polsce” to realizowany przez Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej projekt, którego celem jest ocena perspektyw i korzyści z wykorzystania technik satelitarnych i rozwoju technologii kosmicznych w Polsce. W ramach projektu wypracowana zostanie wizja rozwoju sektora technik satelitarnych i technologii kosmicznych w Polsce. Rekomendacje zebrane w trakcie jego trwania określą priorytetowe obszary rozwoju, których wsparcie ze środków publicznych może przynieść największe korzyści gospodarcze i społeczne. Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne Autorzy: Jakub Ryzenko Anna Badurska Anna Kobierzycka Opracowanie graficzne: Juliusz Łabęcki Za szczególne zaangażowanie i wkład w opracowanie raportu autorzy dziękują: Prof. Andrzejowi Ciołkoszowi, prof. Zbigniewowi Kłosowi, dr inż. Krzysztofowi Kurkowi, prof. Józefowi Modelskiemu, prof. Stanisławowi Oszczakowi, dr Mirosławowi Ratajowi, prof. Januszowi B. Zielińskiemu Podziękowania za czynny udział w I fazie Projektu Foresight autorzy składają: Krzysztofowi Banaszkowi, Leszkowi Bujakowi, Bartoszowi Buszke, prof. Andrzejowi Dąbrowskiemu, Borysowi Dąbrowskiemu, prof. Katarzynie Dąbrowskiej – Zielińskiej, dr Izabeli Dyras, prof. Markowi Granicznemu, dr hab. Markowi Grzegorzewskiemu, dr Karolowi Jakubowiczowi, dr hab. Andrzejowi Kijowskiemu, Andrzejowi Kotarskiemu, prof. Adamowi Krężelowi, Arkadiuszowi Kurkowi, Bartoszowi Malinowskiemu, prof. Stanisławowi Mularzowi, dr Markowi Ostrowskiemu, dr Jerzemu Sobstelowi, prof. Cezaremu Spechtowi, Romanowi Wawrzaszkowi, prof. Piotrowi Wolańskiemu, prof. Ryszardowi Zielińskiemu Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 3 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne Spis treści: 1. Platformy satelitarne 1.1. Informacje ogólne 1.1.1. Specyficzne warunki w przestrzeni kosmicznej 1.1.2. Struktura satelity 1.1.3. Zasilanie satelity 1.2. Trendy technologiczne 1.2.1. Duże satelity 1.2.2. Małe satelity 1.3. Nowe technologie 1.3.1. Struktury programowalne 1.3.2. Systemy MEMS 1.3.3. Giętkie cienkowarstwowe systemy zasilania 1.4. Serwisowanie na orbicie 2. Konstelacje satelitarne w nawigacji, telekomunikacji i obserwacji Ziemi 2.1. Konstelacje nawigacyjne 2.2. Konstelacje telekomunikacyjne 2.3. Konstelacje obserwacyjne 2.4. Konstelacje w badaniach kosmicznych 3. Transport kosmiczny 3.1. Małe rakiety nośne 3.2. Turystyka kosmiczna 4. Badania naukowe i eksploracja kosmosu 4.1. Eksploracja bezzałogowa 4.2. Eksploracja załogowa 4.3. Stacje kosmiczne Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 4 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne Człowiek od tysiącleci zwracał się w kierunku gwiazd, poszukując odpowiedzi na pytania o strukturę i historię wszechświata. Dynamiczny rozwój technologii rakietowych po drugiej wojnie światowej sprawił, że marzenia o podboju i eksploracji kosmosu stały się realne. Motywacja działalności kosmicznej państw zmieniała się na przestrzeni dekad. Można wskazać co najmniej 4 grupy przyczyn takiej aktywności, które w różnych okresach odgrywały mniejszą lub większą rolę. Oprócz odwiecznej ciekawości badawczej i chęci poznania w początkowej historii eksploracji dominowały czynniki polityczne i prestiżowe – rywalizacja Stanów Zjednoczonych i Związku Radzieckiego w okresie zimnej wojny. Obecnie na plan pierwszy wysunęły się inne względy: praktyczne korzyści uzyskiwane dzięki wykorzystaniu technik satelitarnych oraz chęć wspierania innowacyjności technologicznej. Wiele z powszechnie stosowanych dziś rozwiązań, np. komputery, roboty, nowoczesne urządzenia elektroniczne i telekomunikacyjne, powstało lub rozwinęło się na potrzeby programów badań kosmosu. Rozwój technologii kosmicznych jest dziś w dużym stopniu konsekwencją zapotrzebowania nowoczesnych społeczeństw na usługi satelitarne w zakresie telekomunikacji, nawigacji i użytkowych obserwacji Ziemi, a także badań naukowych Ziemi i przestrzeni kosmicznej. Równocześnie długofalowe plany nakreślone przez NASA, Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) i agencje narodowe państw zaangażowanych w programy kosmiczne duży nacisk kładą na szeroko rozumianą automatyczną i załogową eksplorację kosmosu. ich funkcjonowania, a następnie trendy rozwoju transportu kosmicznego oraz plany badań naukowych i eksploracji przestrzeni kosmicznej. Poza zakresem raportu znalazły się kierunki rozwoju działalności kosmicznej, które bywają przedmiotem dyskusji, ale ich realizacja jest dzisiaj uznawana za mało prawdopodobną. Warto je zasygnalizować, gdyż w bardzo długiej perspektywie mogą one istotnie zmienić sektor kosmiczny na świecie: � Masowa produkcja materiałów i leków w stanie nieważkości (barierą są wysokie koszty transportu na i z orbity, a ponadto dynamiczny rozwój biotechnologii i inżynierii materiałowej na Ziemi) � Wytwarzanie energii w przestrzeni kosmicznej i przesyłanie jej na Ziemię � Przekazywanie energii od producenta do konsumenta na Ziemi za pośrednictwem satelitów � Wydobywanie surowców na Księżycu i ich transport na Ziemię � Konstrukcja „windy kosmicznej” wielokrotnie obniżającej koszty wynoszenia obiektów w przestrzeń kosmiczną Poniższy tekst, stanowiący kompilację analiz przygotowanych przez ekspertów, ma za zadanie ukazanie głównych trendów rozwoju systemów kosmicznych z położeniem nacisku na obecne i przyszłe wyzwania technologiczne. Kolejno omówione są tendencje ewolucji w konstrukcji samych satelitów, sposoby Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 5 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne Kategorie satelitów ze względu na ich wagę Satelita Waga [kg] satelita duży > 1000 satelita średni 500 – 1000 mini-satelita 100 – 500 mikro-satelita 10 – 100 nano-satelita 1 –10 piko-satelita 0,1 – 1 femto-satelita < 0,1 1. Platformy satelitarne 1.1 Informacje ogólne Ostatnie lata pokazują, że rozwój satelitów przebiega obecnie w dwóch kierunkach: • duże skomplikowane satelity o dużej dostępnej mocy zasilania, wykorzystywane w systemach telekomunikacyjnych (na orbicie geostacjonarnej GEO) i systemach obserwacji zawierających wiele różnych sensorów do obserwacji w pasmach wizyjnych i podczerwieni lub w pasmach mikrofalowych jako radar z syntezowaną aperturą SAR • małe satelity (mini-satelity i mikrosatelity – Tab. 1) na orbitach niskich LEO, wykorzystywane w różnych misjach Małe satelity mimo znacznie mniejszych wymiarów i masy swą budową nie różnią się znacząco od dużych satelitów, zawierając praktycznie takie same systemy, realizujące takie same funkcje. Budowa klasycznych dużych satelitów jest przedsięwzięciem długotrwałym (trwającym co najmniej kilka lat) i kosztownym, na który mogą sobie pozwolić tylko duże organizacje komercyjne. Natomiast w wypadku małych satelitów czas ich budowy jest znacznie krótszy (typowo 1–2 lata) a koszty budowy satelity i jego wyniesienia na orbitę LEO znacznie mniejsze, co czyni bardzo atrakcyjnym wykorzystanie takich satelitów w różnych zastosowaniach, takich jak: obserwacje Ziemi, testy i weryfikacja nowych technologii w środowisku kosmicznym, edukacja i szkolenie, zastosowania militarne, eksploracja kosmosu czy specjalne systemy łączności np. łączność amatorska. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 6 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne 1.1.1 Specyficzne warunki w przestrzeni kosmicznej Systemy satelity narażone są na wpływ warunków środowiskowych panujących w przestrzeni kosmicznej, mających wpływ na ich prawidłowe działanie: • wibracje i przeciążenia w czasie wynoszenia na orbitę – wszystkie układy muszą działać prawidłowo po przejściu przez takie narażenia • próżnia – powodująca problemy z odprowadzaniem ciepła, odgazowywanie niektórych materiałów oraz zwiększenie tarcia między elementami ruchomymi • promieniowanie cząstek naładowanych elektrycznie (protony, elektrony, ciężkie jony) o dużych energiach oraz promieniowanie elektromagnetyczne – mogące powodować błędy w układach elektronicznych (zwłaszcza półprzewodnikowych) jak również ich uszkodzenia. Kluczowym parametrem dla półprzewodników jest całkowita dawka przyjętego promieniowania wpływająca na możliwość uszkodzenia danego elementu. Poziom promieniowania zależy od wysokości orbity satelity nad powierzchnią Ziemi, im wyższa orbita tym większe promieniowanie. • szeroki zakres zmian temperatur – w zależności od tego czy satelita jest oświetlany przez Słońce czy też znajduje się w cieniu Ziemi temperatura jego powierzchni może się zmieniać w zakresie od –100oC do +150 oC • brak możliwości napraw Zapewnienie dużej niezawodności i odporności na warunki panujące w przestrzeni kosmicznej wymaga zastosowania właściwych rozwiązań układowych oraz użycia odpowiednich sprawdzonych komponentów, np. układy istotne dla prawidłowego działania systemu satelitarnego są zdublowane. Proces projektowania i budowy urządzeń satelitarnych jest relatywnie długi. Wymaga on budowy i testów szeregu modeli, ich podzespołów i elementów. Powoduje to, że z jednej strony technologie kosmiczne wymuszają nowe rozwiązania i nowe technologie, a z drugiej konieczny czas potrzebny na testy środowiskowe i niezawodnościowe sprawia, że stosowane elementy, materiały i rozwiązania w momencie startu misji nie są najnowsze z punktu widzenia rozwoju technologicznego. Bardzo istotną dziedziną silnie rozwijaną na potrzeby technologii satelitarnych jest inżynieria materiałowa, tworząca lekkie i wytrzymałe materiały oraz pokrycia i powłoki materiałów poprawiające ich własności wytrzymałościowe, cierne, czy izolacyjne. Osobny kierunek stanowią nowatorskie i wyrafinowane rozwiązania węzłów konstrukcyjnych na potrzeby konkretnych misji i instrumentów. Ten kierunek najlepiej absorbuje nowe technologie i techniki, jak np. nanotechnologie i sam generuje nowe rozwiązania. 1.1.2 Struktura satelity Wszystkie układy satelity można podzielić na dwie części: • ładunek użyteczny (payload) – zawierający odpowiedni sprzęt (instrumenty pomiarowe, kamery, przekaźnik komunikacyjny, w zależności od misji), który pozwala realizować właściwe zadania systemu satelitarnego w danej misji np. obrazowanie Ziemi, retransmisję sygnałów telekomunikacyjnych • platformę satelitarną (space platform, bus) – zapewniającą właściwe warunki do prawidłowego działania ładunku użytecznego. W jej ramach można wyróżnić następujące podsystemy: o struktura mechaniczna – zapewniająca mocowania wszystkich układów, ochronę przed promieniowaniem i odprowadzanie ciepła, połączenie z rakietą wynoszącą satelitę na orbitę o system komunikacyjny (Comm communications) – realizujący łączność ze stacjami naziemnymi oraz ewentualnie innymi satelitami na orbicie, obejmujący 3 kanały łączności ((kanał telekomend – odbiór rozkazów sterujących działaniem wszystkich układów satelity, kanał Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 7 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne telemetrii – transmisja danych o stanie wszystkich układów satelity, kanał danych – transmisja danych pozyskiwanych przez ładunek użyteczny) o system sterujący (OBDH – on board data handling) – sterujący i kontrolujący stan wszystkich układów satelity o system kontroli położenia i orientacji (ACS – attitude control system) – zapewniający właściwą orientację i stabilizację położenia satelity na orbicie o system zasilania (EPS – electric power system) – dostarczający energię elektryczną do zasilania wszystkich układów satelity o system kontroli termicznej (Thermal) – zapewniający utrzymanie właściwej temperatury wewnątrz satelity o system silników korekcyjnych (Propulsion) – wykorzystywanych do utrzymania właściwej orbity i pozycji satelity potrójnymi złączami pn. Gdy satelita znajduje się w cieniu Ziemi, aby zapewnić zasilanie układom satelity należy zastosować baterie chemiczne. Baterie ładowane są w czasie, gdy satelita oświetlany jest przez promienie słoneczne. Odpowiednie układy regulacji zapewniają regulację ładowania i rozładowania baterii, aby zapewnić ich właściwą pracę. Głownie używa się trzech typów baterii: niklowo kadmowych, niklowo wodorowych i litowo jonowych. Napięcie elektryczne z paneli słonecznych lub baterii chemicznych doprowadzone jest do układów wytwarzania i stabilizacji napięć zasilania i układów jego dystrybucji do poszczególnych układów satelity. System zasilania musi być autonomiczny i niezawodny, więc poszczególne moduły systemu są zdublowane. ARD - Atmospheric Re-entry Demonstrator 1.1.3 Zasilanie satelity Głównym źródłem zasilania na satelicie są ogniwa słoneczne. W przypadku małych satelitów panele z ogniwami umieszczane są na ściankach satelity. Ze względu na ograniczoną powierzchnię, na której można umieścić ogniwa istotnym czynnikiem w takim przypadku jest użycie ogniw o dużej efektywności konwersji energii świetlnej na elektryczną (zwłaszcza w przypadku nanosatelitów). Również w przypadku dużych satelitów zastosowanie wysokosprawnych ogniw słonecznych pozwala na zwiększenie uzyskiwanej mocy zasilania. Dla dużych satelitów standardem jest stosowanie paneli słonecznych rozkładanych po umieszczeniu satelity na orbicie. Stosowane ogniwa słoneczne są to złącza pn wykonane w krystalicznym krzemie lub arsenku galu. Efektywność konwersji energii takich ogniw wynosi odpowiednio około 10% i 20% dla pojedynczego złącza i zmniejsza się pod wpływem promieniowania kosmicznego. W celu zwiększenia efektywności i zmniejszenia wymaganej powierzchni paneli słonecznych wykorzystuje się ogniwa z podwójnymi i Źródło: ESA Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 8 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne 1.2 Trendy technologiczne Rozważając trendy technologiczne w budowie satelitów w ciągu kilku kilkunastu najbliższych lat należy oddzielnie rozpatrywać satelity duże i małe. 1.2.1 Duże satelity W przypadku satelitów dużych, zwłaszcza do zastosowań telekomunikacyjnych przewiduje się ciągły wzrost dostępnej mocy zasilania nawet powyżej 30 kW (obecnie ponad 15 kW). Prace badawcze prowadzone są w odniesieniu do wszystkich systemów satelity, ale wydaje się, że największe zmiany mogą nastąpić w systemach zasilania i silników korekcyjnych (silniki jonowe zamiast rakietowych) oraz w budowie i komplikacji przekaźnika satelitarnego dla satelitów telekomunikacyjnych. W systemie zasilania dąży się do maksymalizacji mocy elektrycznej pozyskiwanej z paneli słonecznych o danej powierzchni, stosując: • panele słoneczne z ogniwami z materiałów o coraz większej efektywności konwersji energii świetlnej w elektryczną (obecnie sprawność konwersji najlepszych ogniw słonecznych dochodzi do 40 % i przewiduje się, że w ciągu kilku najbliższych lat może wzrosnąć ponad 45 %) • koncentratory światła powodujące skupianie światła padającego na panele słoneczne, są to albo soczewki nakładane na powierzchnię paneli lub układy zwierciadeł (np. w układzie Cassegraina) Dzięki zastosowaniu koncentratorów światła można zwiększyć ilość energii elektrycznej pozyskiwanej z paneli słonecznych nawet kilkukrotnie, co pozwala znacząco zwiększyć dostępna moc zasilania na satelicie lub zmniejszyć powierzchnię paneli dla ustalonej mocy zasilania. Użycie koncentratorów jest efektywne jednak tylko dla ustawienia paneli słonecznych w kierunku słońca. Maksymalny kąt odchylenia nie może przekraczać kilkunastu stopni, przez co zastosowanie takich układów jest możliwe w satelitach z rozkładanymi panelami słonecznymi śledzącymi kierunek słońca (jak to jest w satelitach telekomunikacyjnych na orbicie GEO ze stabilizacją trójosiową). Natomiast w przypadku satelitów z panelami słonecznymi umieszczonymi na ściankach bocznych satelity (np. małe satelity) użycie koncentratorów nie może być zastosowane. W dalszej perspektywie interesującym rozwiązaniem może być wykorzystanie paneli słonecznych zbudowanych z giętkich materiałów cienkowarstwowych. Ze względu na mniejszą masę i większą uzyskiwaną gęstość energii z jednostki masy (mimo obecnie mniejszej efektywności konwersji energii) można by zwiększyć dostępną moc zasilania na satelicie, przez zwiększenie powierzchni paneli słonecznych. Innym interesującym rozwiązaniem jest eliminacja baterii chemicznych w systemie zasilania i wykorzystanie wirujących kół do magazynowania energii. Zmieniając prędkość wirowania układu dwóch kół wirujących z takimi samymi prędkościami w przeciwnych kierunkach zmienia się energię kinetyczną układu. Wykorzystując silnik elektryczny i prądnicę energię kinetyczną można zamieniać na energię elektryczną. Ten sam układ wirujących kół może być również wykorzystany w systemie kontroli orientacji satelity. Odpowiednio zmieniając prędkości wirowania kół możemy zmieniać moment siły układu, bez zmiany energii kinetycznej, i wykorzystać układ do uzyskania obrotu satelity wokół osi wirowania kół. W przypadku satelitów telekomunikacyjnych istotne zmiany w ciągu najbliższych kilkunastu lat nastąpią również w ładunku użytecznym tj. przekaźniku satelitarnym. Związane jest to z tendencją zapewnienia szerokopasmowych usług multimedialnych dla użytkowników ruchomych, co prowadzi do ciągłej komplikacji układowej przekaźnika: • przekaźnik regenerujący z przetwarzaniem sygnałów w paśmie podstawowym • zwiększenie liczby transponderów • zwiększenie mocy nadawanych sygnałów przez pojedynczy transponder • zastosowanie aktywnych wieloelementowych szyków antenowych Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 9 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne oświetlających pojedynczy duży reflektor, tworząc wiele wiązek antenowych na oświetlanym obszarze • wykorzystanie bardziej złożonych modulacji amplitudowo-fazowych np. 16APSK i 32APSK w systemie DVB-S2, co większe wymagania odnośnie liniowości nadawczych wzmacniaczy mocy na satelicie 1.2.2 Małe satelity W przypadku małych satelitów dąży się do minimalizacji masy, rozmiarów i kosztów systemów satelity przy zachowaniu ich właściwości funkcjonalnych, pozwalających na prawidłową realizację zadań stawianych przed systemem satelitarnym. Prowadzi się badania, dotyczące możliwości zastosowania nowych technologii pozwalających na redukcję kosztów, koncentrując się na następujących aspektach: • miniaturyzacja i integracja systemów satelity, prowadząca do zmniejszenia masy, wymiarów i poboru mocy, a w konsekwencji i kosztów. Można tu wyróżnić następujące kierunki działań: o wykorzystanie struktur programowalnych FPGA w różnych zastosowaniach od cyfrowego przetwarzania sygnałów po implementację procesorów programowych o nowe typy układów i elementów mikrofalowych do układów nadawczo odbiorczych np. małe lekkie filtry pasmowo-przepustowe, wysokosprawne wzmacniacze mocy, anteny łatkowe o zastosowanie technologii MEMS w różnych systemach: od układów elektronicznych po mikrosilniki rakietowe o nowe technologie materiałów fotowoltaicznych np. cienkowarstwowe panele słoneczne • możliwości wykorzystania w systemach satelity elementów i układów powszechnego użytku i metod zwiększania niezawodności systemów zbudowanych na takich elementach, co doprowadzi do znaczących redukcji kosztów budowy satelity. Zastosowanie komponentów dostępnych komercyjnie preferowane jest zarówno w dziedzinie sprzętu jak i oprogramowania. Zwłaszcza w przypadku misji krótkookresowych i edukacyjnych użycie elementów powszechnie dostępnych jest rozwiązaniem optymalnym. Odpowiednie rozwiązania układowe umożliwiają również użycie takich elementów w misjach komercyjnych, przy zachowaniu wymaganej niezawodności. Stosowanie paneli z przeznaczeniem do zastosowań kosmicznych jest rozwiązaniem drogim, więc często wykorzystuje się ogniwa przeznaczone dla systemów naziemnych, dokonując pewnych modyfikacji zwiększających ich niezawodność i odporność na promieniowanie. Ogniwa pokrywa się odpowiednimi warstwami ochronnymi, odpornymi na promieniowani UV i posiadającymi dobre właściwości mechaniczne, i łączy w niezależne panele. W wielu misjach, w celu minimalizacji kosztów, wykorzystuje się baterie stosowane w systemach naziemnych, przeprowadzając wcześniej odpowiednie testy ich prawidłowej pracy w warunkach przestrzeni kosmicznej. • możliwości zdalnego testowania i wirtualnej integracji systemów satelity, pozwalającej na wykrywanie błędów współpracy między różnymi systemami na wczesnym etapie projektu przed ich fizyczną integracją, co znacząco wpłynie na zmniejszenie kosztów ich usuwania i przyspieszy uzyskanie poprawnych rozwiązań. Użycie internetu do realizacji wirtualnej łączności między różnymi systemami satelity jest bardzo atrakcyjnym rozwiązaniem w sytuacji, gdy satelita budowany jest przez różne zespoły np. we współpracy międzynarodowej. Po implementacji odpowiednich interfejsów między poszczególnymi systemami poprzez sieć internetową można przeprowadzić wirtualną integrację i testowanie systemów satelity i dopiero po pozytywnych wynikach takiej operacji przystąpić do ich fizycznej integracji. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 10 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne 1.3 Nowe technologie 1.3.1 Struktury programowalne Struktury programowalne FPGA są coraz powszechniej wykorzystywane w systemach satelitarnych, pozwalając na integrację różnych modułów w jednym układzie. Przykładem może być realizacja przetwarzania sygnału w torze nadawczo odbiorczym w paśmie podstawowym i na pośredniej częstotliwości w sposób cyfrowy. Takie rozwiązanie umożliwia integrację znaczącej części toru sygnałowego w pojedynczym układzie, dodatkowo pozwala na realizację różnych zmian np. zmiany rodzaju modulacji w sposób programowy, bez ingerencji sprzętowych, nawet już po umieszczeniu satelity na orbicie. Innym przykładem wykorzystania układów FPGA jest implementacja w takiej strukturze komputera pokładowego satelity: procesora, pamięci z korekcją błędów, interfejsów z układami zewnętrznymi, dodatkowych układów. 1.3.2 Systemy MEMS Technologia MEMS pozwala na budowę skomplikowanych systemów w strukturach półprzewodnikowych charakteryzujących się bardzo niewielkimi wymiarami, masą i poborem mocy zasilania. Takie właściwości są szczególnie atrakcyjne w przypadku nanosatelitów i piko-satelitow, gdy waga, wymiary i moc zasilania są parametrami krytycznymi. Układy MEMS mogą być wykorzystane do realizacji różnych systemów od układów elektronicznych (przełączniki, filtry, czujniki) przez czujniki mechaniczne (mikro-żyroskopy, czujniki przyspieszenia) po miniaturowe silniki rakietowe. Przykładem wykorzystania systemów MEMS w technikach kosmicznych są układy mikro-kół, które mogą być wykorzystane zarówno do zmian orientacji satelity jak i do magazynowania energii elektrycznej w zastępstwie baterii chemicznych. Zmieniając jednocześnie prędkość wirowania obu kół można dostarczać i odbierać energię z układu, bez zmian wypadkowego momentu bezwładności takiego układu. 1.3.3 Giętkie zasilania cienkowarstwowe systemy W przypadku satelitów system zasilania jest jednym z największych i najcięższych (struktura mechaniczna usztywniająca panele słoneczne, baterie chemiczne). Interesującym rozwiązaniem prowadzącym do zmniejszenia wagi systemu zasilania może być wykorzystanie giętkich cienkowarstwowych ogniw słonecznych (thin film photovoltaic). Ogniwa takie wykonane najczęściej z amorficznego krzemu lub związków indu selenu i miedzi są znacznie lżejsze niż ogniwa tradycyjne i pozwalają na realizację paneli rozkładanych na orbicie z prostymi układami rozwijającymi. W czasie wynoszenia na orbitę panel słoneczny może być zwinięty w rulon i na orbicie odpowiednio rozwinięty i naciągnięty na sztywną ramę. Ogniwa cienkowarstwowe są bardziej odporne na promieniowanie kosmiczne, ale ich efektywność konwersji energii jest mniejsza niż dla ogniw tradycyjnych. Jednak ze względu na lekkość takich materiałów uzyskiwana gęstość energii z jednostki masy jest znacznie większa. Kolejnym krokiem w dalszej przyszłości może być wykorzystanie cienkowarstwowych baterii chemicznych (thin film solid state battery). Baterie te wytwarzane są z materiałów na bazie litu i charakteryzują się niską masą, dużą uzyskiwaną gęstością energii z jednostki masy, długim cyklem życia i w przeciwieństwie do baterii tradycyjnych szerokim zakresem temperatur pracy. W oparciu o giętkie struktury cienkowarstwowe w przyszłości możliwe będzie zbudowanie całego systemu zasilania w takiej technologii. Taki system, określany jako FIPP (flexible integrated power pack) składałby się z kolejnych elastycznych cienkich warstw paneli słonecznych, baterii, układów elektronicznych i struktury nośnej. Cechowałby się niewielką masą i dzięki elastyczności i giętkości można byłoby pokryć nim powierzchnie zewnętrzne satelity o dowolnym kształcie. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 11 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne 1.4 Serwisowanie na orbicie W przestrzeni okołoziemskiej śledzonych i skatalogowanych jest około 9,5 tys obiektów o rozmiarach większych niż 30 cm. Wiele z nich to satelity w pełni sprawne, które jednak zakończyły działanie ze względu na brak możliwości korygowania swojej pozycji. Przykładem mogą być satelity telekomunikacyjne umieszczone na orbicie geostacjonarnej, których koszt wynosi średnio 250 mln USD przy czasie eksploatacji 10-15 lat (limitowanym zasobami paliwa). Nic więc dziwnego, że dąży się obniżenia relatywnych kosztów misji (cena misji w odniesieniu do czasu użyteczności satelity), a jednym z rozwiązań jest serwisowanie satelitów na orbicie, obejmujące głównie dostawy paliwa oraz wymianę elementów zużywających się i/lub zepsutych. Aktualnie realizowane programy zaczynają uwzględniać te potrzeby już na etapie projektowania satelity. Wszystko wskazuje na to, że zagadnienie konstrukcji satelitów przystosowanych do obsługi przez autonomiczne systemy transportowoserwisujące1, 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 satelity pod kątem ich przystosowania do łatwego przyłączenia i odłączenia, rozwojem i standaryzacją interfejsów zewnętrznych modułów satelity dla umożliwienia ich montażu i demontażu przez autonomiczne jednostki serwisujące rozwojem urządzeń dokujących dla systemów transportowo – serwisujących autonomią systemów sterowania lotem (dolot do celu i dokowanie), autonomią procedur wymiany podzespołów i tankowania, przystosowaniem urządzeń do możliwości aktualizacji oprogramowania. 1 Przewiduje się, że będzie dominować tendencja do automatyzacji serwisowania satelitów na orbicie, jednakże przeprowadzano już naprawy „załogowe”, jak np. serwisowanie teleskopu Hubble. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 12 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne 2. Konstelacje satelitarne w nawigacji, telekomunikacji i obserwacji Ziemi Konstelacje satelitarne to wszelkie systemy wielosatelitarne, w których każda platforma działa indywidualnie i znajduje się przez większość czasu w dużej odległości, będącej znaczącym ułamkiem wielkości orbity, od platform sąsiednich (np. IRIDIUM, GPS, GLONASS, Disaster Monitoring Constellation i in.). Celem konstelacji jest zwykle pokrycie swoim zasięgiem jak największego obszaru w taki sposób, aby operator konstelacji mógł Konstelacja satelitów GNSS konstelacje satelitów nawigacyjnych: GALILEO (Unia Europejska) i ulepszonego systemu GLONASS (Federacja Rosyjska). Oba systemy powinny być w pełni operacyjne około 2012 roku. Nie należy jednak oczekiwać rewolucyjnych zmian w filozofii działania segmentu kosmicznego systemów nawigacji satelitarnej. Ze względu na ogólny postęp w elektronice i technologii, spodziewać się należy podnoszenia jakości działania, pozycjonowania, wydłużania czasu działania oraz liczebności platform, co stymulować będzie wzrost dokładności wyznaczania pozycji urządzeń korzystających z systemu. Nowością będą natomiast systemy dedykowane pozycjonowaniu i precyzyjnej nawigacji użytkowników w przestrzeni kosmicznej. Już teraz odbiorniki GPS stanowią standardowe wyposażenie platform satelitarnych a w najbliższych latach (dzięki wzrostowi precyzji wyznaczeń) znacznie wspomogą realizacje systemów opartych na satelitach współdziałających nawet w ciasnych formacjach. 2.2 Źródło: ESA dotrzeć ze swoimi usługami do większości zakątków Ziemi. 2.1 Konstelacje nawigacyjne Największymi projektami nadchodzących lat w tej dziedzinie są nowo powstające (lub osiągające operacyjny stopień rozwoju) Konstelacje telekomunikacyjne Od czasu fiaska ekonomicznego programu Iridium idea tworzenia konstelacji satelitów telekomunikacyjnych na niskich orbitach straciła w oczach potencjalnych inwestorów. Istnieją jednak sieci o podobnym charakterze (np. GLOBALSTAR, posiadający 48 satelitów na orbitach niskich, oraz satelity na orbicie geostacjonarnej), które prosperują dobrze, a ich operatorzy planują inwestycje w infrastrukturę nowej generacji. Ze względu na czasochłonny proces rozbudowy segmentu kosmicznego realizacji takich systemów należy się spodziewać w odleglejszej perspektywie (10-20lat). Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 13 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne 2.3 Konstelacje obserwacyjne Tendencje w rozwoju konstelacji satelitów teledetekcyjnych, zasługują na szczególną uwagę z punktu widzenia rozwoju infrastruktury orbitalnej, dając poważny wkład do rozwoju autonomii i nawigacji systemów opartych o współdziałające satelity (z formacjami satelitarnymi włącznie). Konstelacje, takie jak „CALIPSO/CLOUDSAT”, „Landsat 7”, „Envisat”, powstały w wyniku dosyłania do bazowych satelitów teledetekcyjnych wyniesionych wcześniej, kolejnych satelitów wyposażonych w co raz to inne przyrządy. Ze względu na ciągłe perturbacje jakim podlega satelita, niezbędne jest zastosowanie odpowiedniego systemu nawigacji i kontroli położenia, by kontrolować i aktualizować ustawienie satelitów w szyku. Konieczność realizacji tych zadań nadaje konstelacjom teledetekcyjnym cechy formacji, zmuszając jednocześnie inżynierów do prac nad systemami kontroli pozwalającymi optymalnie wykorzystywać zasoby paliwa, jakimi satelita dysponuje. Jeżeli chodzi o same urządzenia pomiarowe, to w latach 2012-2020, należy się spodziewać przede wszystkim wzrostu rozdzielczości systemów obrazujących (10cm dla zakresów optycznych i do 0.5m dla systemów radarowych). Obecnie silny nacisk położono na misje bazujące na metodach interferometrycznych. Misja mikrofalowa w postaci tandemu satelitów Terra-Sar-X (2006/2009) dla tworzenia cyfrowej mapy terenu o wysokiej rozdzielczości jest dobrym tego przykładem. W paśmie optycznym planowana jest realizacja pomiarów interferencyjnych w oparciu o formacje satelitów, celem uzyskania większej bazy pomiarowej dla pomiarów astrofizycznych. Dla celów obserwacji ziemi rozwijane są i będą instrumenty hiperspektralne, które oprócz wysokiej rozdzielczości spektralnej , będą dysponowały wysoką rozdzielczością przestrzenną i ten kierunek jest ważny w perspektywie 2020 roku. Misje łącznie z instrumentami pomiarowymi są już zdefiniowane do 2012 roku. Poziom technologiczny instrumentów pomiarowych będzie odpowiadał aktualnie istniejącym rozwiązaniom w postaci modeli laboratoryjnych lub inżynierskich, bądź ich ulepszeniom dokonanym w toku prac nad misją. Perspektywa do roku 2020 w przypadku obserwacji Ziemi to rozwój systemów hiperspektralnych, jednak szybkość tego rozwoju silnie zależy od nakładów finansowych. Można przypuszczać, że po okresie silnego rozwoju programów GMES i GEOSS, nastąpi chęć uzyskania korzyści finansowych z pracujących systemów i spowolnienie wdrożenia nowych technologii do przyszłych misji i oparciu się na już istniejących i sprawdzonych rozwiązaniach, które będą z całą pewnością tańsze. Wydaje się , że głównym motorem dalszego rozwoju technologii będą misje załogowe na Księżyc i Marsa, ale te misje, kładąc nacisk na inne aspekty rozwoju technologii satelitarnych nie przyczynią się w znaczący sposób w rozwój instrumentów teledetekcyjnych. Schemat rozmieszczenia CALIPSO/CLOUDSAT satelitów w konstelacji Źródło: http://www-calipso.larc.nasa.gov/about/atrain. php 2.4 Konstelacje kosmicznych w badaniach Poza „klasyczną” obserwacją Ziemi prowadzone są także badania in-situ stanu środowiska okołoziemskiego, bardzo istotne z punktu widzenia działania tak ziemskich, jak i satelitarnych systemów telekomunikacyjnych. Dodatkowo, interakcje Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 14 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne naturalne „Słońce <–> magnetosfera Ziemska <–> plazmasfera Ziemska <–> efekty środowiskowe na powierzchni Ziemi” nie są jak dotąd całkowicie zrozumiałe. Wyniki misji DEMETER (2004) sugerują np. możliwość przewidywania silnych trzęsień ziemi poprzez analizę fal rozchodzących się w plazmie okołoziemskiej. Na najbliższe lata oraz w perspektywie 2012-2020, planowanych jest szereg wielosatelitarnych misji mających na celu badanie fizyki plazmy kosmicznej oraz magnetosfery Ziemi. Przydatność tego typu badań, potwierdzone zostały sukcesem formacji Cluster (4 satelity), która w najbliższym czasie zakończy pracę. Wśród projektów odległych, na szczególną uwagę zasługują dwie misje: • Magnetospheric Multiscale Mission – MMS (planowana na lata 2013-2015) • Cross-Scale Mission (planowana na lata 2015-2025) Są to pomyślane z rozmachem misje wielosatelitarne, które w założeniu naukowców pomogą zrozumieć zjawiska zachodzące w plazmie i magnetosferze Ziemi. Udać się to może, dzięki jednoczesnym pomiarom wykonywanym w wielu punktach wyznaczających obszary o różnych skalach przestrzennych. W latach najbliższych planuje się ponadto szereg misji technologiczno – naukowych, jak np. misja Magnetospheric Constellation (MC), w których konstelacje niewielkich satelitów przeprowadzać będą wielopunktowe pomiary magnetosfery Ziemskiej, testując jednocześnie nowe technologie. Można oczekiwać, że tendencja do wykorzystywania konstelacji i formacji mikroi nano- satelitów w pomiarach plazmowych i magnetosferycznych zostanie w najbliższych latach utrzymana, dając wkład do rozwoju technologii dla wielosatelitarnych misji przełomowych typu Cross-Scale. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 15 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne 3. Transport kosmiczny Omawiając rozwój technologii kosmicznych nie sposób pominąć bardzo istotnego aspektu, jakim jest rozwój systemów wynoszenia i transportu kosmicznego – każdy satelita, aby mógł pełnić swoje funkcje, musi zostać umieszczony na właściwej orbicie. Start rakiety Ariane 5 Źródło: ESA Obecnie komercyjny rynek usług wynoszenia na orbitę jest silnie skoncentrowany; występuje 3 dominujących dostawców (Arianespace, ILS, Sea Launch) i kilku pozostałych (Starsem, ISC Kosmotrans, OSC, Eurockot), odbiorcami zaś są duzi klienci instytucjonalni, najczęściej instytucje publiczne. Warto podkreślić, że podmioty rządowe z reguły starają się nabywać usługi wynoszenia od krajowego lub regionalnego dostawcy, jeżeli taki istnieje; np. rząd amerykański nigdy nie zakupił usługi wyniesienia od dostawcy z poza Stanów Zjednoczonych. Rynek usług wynoszenia charakteryzuje się także wysoką konkurencją. Pojawienie się nowych dostawców utrudniają wysokie bariery wejścia – wysokie koszty infrastruktury, wytwarzania, ubezpieczeń, wysokie koszty pracy, niedobór wykwalifikowanej siły roboczej, jak również znaczna pomoc publiczna dla dotychczasowych dostawców. Ta ostatnia, obok częstego przyznawania wyłączności dostawcom krajowym/regionalnym (lub wręcz indywidualnym dostawcom krajowym, w przypadku programu EELV) na wynoszenie ładunków finansowanych przy użyciu środków rządowych, objawia się w możliwości korzystania przez takich dostawców z utrzymywanej ze środków publicznych infrastruktury w portach kosmicznych (np. korzystanie przez dostawców amerykańskich z rządowych miejsc startowych po minimalnych kosztach, a z drugiej strony współfinansowanie infrastruktury startowej wykorzystywanej przez Arianespace w Gujanie w około 50% przez ESA). Pomoc publiczna przejawia się także w publicznym wsparciu dla budowy i rozwijania nowych rakiet nośnych – zarówno w Ameryce – poprzez program EELV, COTS i Falcon , jak i w Europie, za pośrednictwem ESA. W roku 2005 wyniesiono na orbitę 55 satelitów, z czego tylko 18 (33%) to satelity komercyjne, reszta zaś reszta to ładunki rządowe2; jest to sytuacja typowa dla ostatnich lat, w szczytowych latach 1997-2001 ładunki komercyjne stanowiły 41% całości. Udział w rynku komercyjnym w największej części został wykonany przez operatorów rosyjskich – 8 wyniesień (44% rynku), w dalszej kolejności uplasowało się Arianespace z 5 wyniesieniami (28% rynku) oraz międzynarodowe konsorcjum Sea Launch z 4 wyniesieniami (22% rynku), zaś operatorzy amerykańscy wykonali jedno wyniesienie satelity komercyjnego (pojedynczy start rakiety Atlas V). Przychody związane z 18 komercyjnymi wyniesieniami są oceniane na równowartość 1.2 mld USD, co stanowi 20% wzrost w odniesieniu do całkowitych przychodów w kwocie około 1 mld USD w roku 2004. Największym popytem cieszą się tradycyjnie usługi wynoszenia na orbity geostacjonarne; Po znacznym spadku na rynku i dwóch kolejnych latach najniższej liczby startów od około 45 lat, spodziewana jest przejściowa odbudowa 2 FAA Commercial Space Transportation: 2005 Year In Review, dostępne pod adresem internetowym http://www.faa.gov/library/reports/commercial_space/year_in_review/media/2005_year_in_review.pdf Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 16 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne Liczba wyniesień w roku 2005 z podziałem na kraje Źródło: FAA, rok 2006 Dochody z usług wyniesienia na orbitę z podziałem na kraje Źródło: FAA, rok 2006 popytu z uwagi na konieczność wymiany niektórych flot komercyjnych satelitów w latach 2007-2008. Doszło wyrównania popytu i podaży, w porównaniu z wcześniejszym przerostem podaży. W przemyśle panuje umiarkowany optymizm, obserwuje się przyrost zamówień na odleglejsze terminy. Kluczem do przetrwania było wsparcie rządów, także poprzez zagwarantowanie rządowych zamówień oraz tworzenie sojuszy (np. ILS). 3.1.Małe rakiety nośne Omówiona w poprzedniej części tendencja do budowy małych satelitów może mieć wpływ na rozwój transportu kosmicznego. Problemem związanym w wykorzystywaniem cięższych rakiet nośnych na potrzeby wynoszenia lekkich (np. np. poniżej 200 kg) satelitów jest dość wysoka cena związana z wynoszeniem, potrzeba wyniesienia satelity stanowiącego ładunek dodatkowy na specyficzną orbitę odmienną od orbity satelity (satelitów) stanowiącego ładunek główny, jak również częsty brak miejsca na pokładzie, co skutkuje nieraz kilkuletnimi przesunięciami w wyniesieniu na orbitę lub też wręcz całkowitym zarzucaniem wyniesienia 3. Specyfika mikro- i nano-satelitów (jak również, specyfika niektórych podmiotów mogących zlecać usługi wynoszenia tychże satelitów – np. uniwersytetów), wymusza stosowanie dostosowanych do tejże środków transportu, których dostępność jest w chwili obecnej znacznie ograniczona. Z uwagi na brak adekwatnych środków wynoszenia, popyt na wynoszenie lekkich ładunków jak dotąd zmaterializował się w niewielkim stopniu. Jakkolwiek ocena wielkości takiego - w dużej mierze potencjalnego - rynku jest dosyć utrudniona, istniejące analizy wskazują na znaczną elastyczność cenową popytu na usługi wynoszenia małych ładunków: ilość ładunków finansowanych przez np. uniwersytety może wzrosnąć w wyniku względnie skromnego spadku cen wynoszenia, zaś obniżka cen wynoszenia małych ładunków rzędu 75% 3 Matt Bille i Robyn Cane, „Practical microsat launch systems: economics and technology”, Sierpień 2003, s. 3, dostępne pod adresem internetowym http://www.mitre.org/work/tech_papers/tech_papers_03/kane_mls/kane_mls. pdf Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 17 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne może skutkować ponad 200% wzrostem ilości wyniesień w roku 20214. Można dostrzec zainteresowanie potencjalnych nowych dostawców w zagospodarowaniu tego jak dotąd uśpionego popytu na lekki transport kosmiczny – interesującym tego przykładem może być rosyjsko-kazachski projekt systemu „Iszim” służącego wynoszenia lekkich ładunków, z wykorzystaniem myśliwców Mig-31 jako platform startowych dla rakiet nośnych. Wahadłowiec Discovery na lądowisku 3.2. Turystyka kosmiczna Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w 2002r. po raz pierwszy przebywał “kosmiczny turysta”. Amerykański milioner Dennis Tito zapłacił 20 milionów dolarów za osiem dni pobytu w kosmosie - i za przejście do historii. Od tamtej pory w kosmos poleciało jeszcze 4 turystów, w tym jedna kobieta. Bieżące ceny (21 mln USD) oraz fakt, że oferowanie usług jest w całości uzależnione od dostępności miejsc na pokładzie jedynego środka transportu orbitalnego (Soyuz)5. czynią wątpliwym jakikolwiek znaczący przyrost popytu w najbliższych latach. Badania opublikowane przez firmę Futron w roku 2002 wskazują duże zwyżki popytu w przypadku obniżenia cen do kolejno 5 mln i 1 mln USD – w tym ostatnim przypadku mowa o przyroście 4-krotnym. Rzeczywisty „start” tego rynku jest możliwy dopiero w przypadku znacznego skoku technologicznego w sektorze transportu orbitalnego umożliwiającego drastyczne obniżenie kosztów (poprzez np. pojawienie się na rynku komercyjnym pojazdów typu RLV („Re-usable Launch Vehicle”), tudzież pojawieniu się na rynku nowych typów tanich rakiet nieodzyskiwalnych), przez co wyłonienie wiarygodnych prognoz rozwoju tego rynku jest wysoce utrudnione. Źródło: ESA Nieco inaczej przedstawia się sytuacja na rynku turystyki suborbitalnej. W najbliższym czasie, najpewniej począwszy od roku 2008, możemy przewidywać rozpoczęcie wykonywania usług przez firmy Virgin Galactic oraz Rocketplane Kistler. Najbardziej prawdopodobny zwycięzca w wyścigu o rynek turystyki suborbitalnej - Virgin Galactic przyjął co najmniej 60.000 zgłoszeń, w całości lub w części cenę biletu (200.000 USD) uiściło co najmniej 200 osób, suma Prognoza popytu na loty suborbitalne Źródło: Futron, rok 2006 4 Futron Corporation, NASA ASCENT Study Final Report, 31 styczeń 2003 r., s. 53 i 57., dostępne pod adresem internetowym http://www.futron.com/pdf/resource_center/reports/ASCENTFinalReport_V1.pdf 5 Począwszy od wiosny 2007 co najmniej do jesieni 2008 nie będą miały miejsca jakiekolwiek loty turystyczne. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 18 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne Prognoza przychodów sektora turystyki suborbitalnej Źródło: Futron, rok 2006 płatności za sprzedane bilety przekroczyła 16,4 mln USD. Cena biletu z czasem ma ulec obniżeniu do ok. 80 tys. USD. Spośród pierwszych 100 osób, dla których zarezerwowano miejsca na pokładzie SS2, 55% to Amerykanie; wśród 60,000 zgłoszeń, 30% pochodzi z USA, 15% z Wielkiej Brytanii oraz 10% z Australii. Warto podkreślić, że rozwój technologii na potrzeby lotów suborbitalnych może mieć znaczący wpływ na postęp technologiczny w konstrukcji rakiet i środków wynoszenia na orbitę, jak również prowadzenie operacji na orbicie (np. serwisowanie satelitów). 4. Badania naukowe eksploracja kosmosu i W potocznym rozumieniu pojęcie „technologie kosmiczne” kojarzy się z badaniami naukowymi i eksploracją przestrzeni kosmicznej – i rozumienie takie jest jak najbardziej słuszne, mimo że wiele z rozwiązań, które powstało lub rozwinęło się na potrzeby programów badań kosmosu, jest dziś powszechnie stosowanych w codziennym życiu, np. komputery, roboty, nowoczesne urządzenia elektroniczne i telekomunikacyjne. Badania naukowe przestrzeni kosmicznej stanowią znaczącą pozycję w budżetach cywilnych agencji kosmicznych wielu państw: w 2005 r. budżet „naukowy” NASA wyniósł Próbnik Huygens oddziela się od sondy Cassini Źródło: ESA Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 19 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne 4 mld dolarów, a programy Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) w 2006 roku, inne niż użytkowe i rozwoju systemów wynoszenia (m.in. technologiczny, załogowy i stricte naukowy) – ok. 1 mld euro. 4.1 Eksploracja bezzałogowa Pierwszym krokiem człowieka w kosmos było umieszczenie przez Związek Radziecki na orbicie okołoziemskiej pierwszego sztucznego satelity – Sputnika 1; od tamtej pory nieprzerwanie trwa bezzałogowa eksploracja Układu Słonecznego. Rozwijana na potrzeby badań przestrzeni kosmicznej robotyka (zwłaszcza powierzchniowa) oraz systemy sztucznej inteligencji znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach nowoczesnej „ziemskiej” gospodarki. Lądowniki i łaziki Ponieważ misje kosmiczne są czasochłonne i bardzo kosztowne, od samego początku starano się maksymalizować zdobytą przy ich Robot mobilny – ExoMars Rover pomocy wiedzę. W tym celu w miarę możliwości wyposażano sondy w lądowniki, a następnie lądowniki w pojazdy, zdolne do eksploracji okolicy miejsca lądowania. Księżyc, czy nawet Mars, znajdują się stosunkowo blisko Ziemi, co pozwala nadzorować pracę takich pojazdów zdalnie. Jednak zbadana strefa jest niewielka w porównaniu z rozmiarami globu planetarnego. Równocześnie organizowane są misje do odległych planet, w których opóźnienia transmisji sięgają kilku godzin, co praktycznie uniemożliwia bieżący nadzór z Ziemi. Koszty takich misji liczone są czasem w miliardach dolarów, więc również oczekiwania co do efektów naukowych są duże – konieczne jest więc badanie możliwie rozległych obszarów przy jednoczesnym wzroście autonomii misji. Prowadzi to do prób budowy coraz inteligentniejszych i bardziej złożonych robotów mobilnych i innych pojazdów planetarnych oraz możliwie efektywnego wykorzystania wysyłanych narzędzi badawczych. Tam, gdzie to możliwe nowe misje kosmiczne, zwłaszcza na Księżyc i Marsa, będą wyposażane w pojazdy powierzchniowe do eksploracji terenu, balony, sterowce i samoloty do penetracji z powietrza (zakładając, że badany glob posiada atmosferę) oraz penetratory gruntowe do badań podpowierzchniowych. Poniżej znajduje się lista przyszłych misji wyposażonych w lądowniki, wraz z spodziewanymi datami wystrzelenia: – Rosetta (w drodze) – Phoenix (2007) – Fobos-Grunt (2009) – MSL (2009) – LUNAR-A (2010) – Łuna-Głob (2012) – Chang’e 2 (2012) – ExoMars (2013) – Wieniera-D (2016) – Chang’e 3 (2017) Do tej listy dołączą także lądowniki misji NASA, które obecnie oczekują na akceptację, takie jak Mars Scout (2012), MSR i kolejne. Źródło: ESA Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 20 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne Zespoły robotów Podstawową zmianą w podejściu do eksploracji bezzałogowej, jaką już można zaobserwować, jest wykorzystanie zorganizowanych grup narzędzi badawczych (satelitów, łazików, penetratorów itd.) współpracujących ze sobą w trakcie wspólnej misji. Organizacja w zespoły badawcze pozwala efektywnie dobierać obiekty badań oraz zwiększa szanse powodzenia misji. Lepsza integracja takich zespołów, ich autonomia oraz sztuczna inteligencja (samodzielne planowanie i modyfikowanie harmonogramu celów do realizacji) są obecnie przedmiotem intensywnych prac. Rezygnacja z wysyłania pojedynczych lądowników czy robotów mobilnych na rzecz rozwoju systemów współpracujących ze sobą instrumentów (satelitów, lądowników, robotów mobilnych, penetratorów, balonów itp.) pozwoli na większy zakres dopuszczalnego ryzyka przypadającego na pojedynczy Źródło: NASA JPL Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 21 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne element misji przy równoczesnym zachowaniu wysokich standardów niezawodności misji. Jednakże zaletą takiego podejścia jest nie tylko prosta redundancja, ale też przyspieszenie realizacji założonych celów, większa mobilność, możliwość uproszczenia konstrukcji poszczególnych elementów zespołu oraz realizacji zadań niemożliwych do zrealizowania przy pomocy pojedynczego pojazdu. W 1996 roku w NASA JPL stworzono koncepcję misji kosmicznej, w której udział biorą całe roje niedużych robotów badawczych. Wizja zakłada produkcję kilku klas pojazdów, wzorowanych na owadach. Pojazdy te dysponowałyby podobną ruchliwością, zręcznością jak nieduże owady. Zintegrowane z pojazdami miniaturowe sensory i kamery umożliwiłyby realizację programu badawczego. Poszczególne grupy robotów posiadałyby różne zdolności przemieszczania się – jedne jeździłyby lub pełzały po powierzchni, inne wkopywały się w grunt, jeszcze inne, dzięki małe masie mogłyby latać. Taki rój sztucznych owadów byłby wszechstronnym narzędziem badawczym, pozwalającym na kompleksowe gromadzenie informacji o powierzchni i atmosferze badanej planety. Omawiane roboty podzielone byłyby na kategorie w zależności od ich zdolności mobilnych – wyróżniano by więc typ jeżdżący, pełzający, skaczący, latający, kopiący itd. Każdy z tych typów dopasowany byłby do specyficznych zadań określonych przez sposób przemieszczania się oraz zestaw sensorów znajdujących się na wyposażeniu robota. Te owadzie pojazdy byłyby zdalnie sterowane lub też w pełni autonomiczne. Produkowane masowo, tanie i łatwo zastępowalne roboty byłyby przystosowane do pełnienia określonej funkcji, np. radiolatarni lub radioprzekaźników, dzięki którym możliwa byłaby nawigacja i komunikacja między lądownikiem i większymi pojazdami badawczymi. Również zebrane przez roje robotów dane pomiarowe umożliwiłyby lepszy dobór celów badawczych dla większych robotów. Przedstawiona wizja jest bardzo futurystyczna, jednak trwają prace nad oceną jej realności. Można spodziewać się stopniowej realizacji niektórych jej założeń, a co za tym idzie – wykorzystania coraz liczniejszych grup robotów mobilnych w kolejnych misjach eksploracji planet. Przywóz próbek na Ziemię Szczególnym rodzajem misji kosmicznych są pojazdy wyposażone w urządzenia do pobrania próbek i wysłania ich na Ziemię. Do niedawna jedynymi próbkami były przywiezione przez astronautów amerykańskich i sondy radzieckie próbki skał księżycowych. Zmieniło się to ostatnio dzięki dwóm amerykańskim misjom – Genesis (przywóz próbek wiatru slonecznego) i Stardust (przywóz materii kometarnej). Również Japonia wysłała misję wyposażoną w urządzenie powrotne – Hayabusa – której zadaniem było pobranie próbki gruntu z planetoidy Itokawa, co jednak się nie powiodło. Należy oczekiwać kolejnych misji, których celem będzie przywiezienie próbek gruntu na Ziemię. Z zapowiedzianych wymienić można rosyjską sondę Fobos-Grunt (przywóz próbek z księżyca Marsa – Fobosa, start w 2009 roku), amerykańską lub amerykańsko-europejską misję Mars Sample Return (orientacyjna data startu – 2013 rok) i chińską Chang’e 3 (przywóz próbek z Księżyca, start w roku 2017). W związku z amerykańskimi planami Sonda podczas pobierania próbek z powierzchni Źródło ISAS Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 22 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne 4.2 Eksploracja załogowa Pierwszym człowiekiem w kosmosie był Jurij Gagarin, który 12 kwietnia 1961r. na pokładzie statku Vostok 1 po raz pierwszy okrążył Ziemię. Lata 60. to okres „wyścigu na Księżyc” między USA i ZSRR, zakończonego zwycięstwem Amerykanów w 1969 r. Po rezygnacji z programu Apollo obecność człowieka w kosmosie ograniczała się do lotów na orbicie okołoziemskiej i – od 1986r. – stacji kosmicznych (MIR, potem ISS). Ten stan rzeczy ma ulec zmianie dzięki realizacji nowego amerykańskiego planu eksploracji kosmosu, przedstawionego przez prezydenta Busha w styczniu 2004. Cele nowej strategii kosmicznej USA to: � Ukończenie budowy Międzynarodowej Stacji Kosmicznej do 2010r. Aby to osiągnąć, jak najszybciej zostaną wznowione loty wahadłowców (oczywiście z uwzględnieniem nowych norm bezpieczeństwa wprowadzonych po katastrofie Columbii) – co nastąpiło w lipcu 2005r. Po dostarczeniu na orbitę wszystkich elementów ISS program Space Shuttle będzie zakończony. Równocześnie badania naukowe na pokładzie stacji, przynajmniej w laboratorium amerykańskim, mają się koncentrować na problemach wpływu długotrwałego przebywania w stanie nieważkości na organizm człowieka, co będzie wstępem do realizacji kolejnego celu programu. najwcześniej w 2018 r. Według zapowiedzi Scotta Horowitza, wysokiego rangą urzędnika NASA ds. badań, od 2020 roku na tygodniowe misje na Księżyc mają latać czteroosobowe załogi. W miarę, jak budowana na Księżycu baza będzie coraz lepiej wyposażona, ludzie będą mogli pozostawać w niej nawet przez pół roku, a od około 2024 roku stacja zostanie zasiedlona na stałe. Długotrwała obecność człowieka na Księżycu w stale zamieszkanej bazie to punkt wyjścia do dalszej eksploracji. Amerykańskie plany przewidują wykorzystywanie surowców znajdujących się na Księżycu m.in. jako paliwa rakietowego i do wytwarzania tlenu. Ponadto start ciężkich pojazdów kosmicznych bezpośrednio z Ziemi to – z powodu dużej siły grawitacji – energochłonne i kosztowne przedsięwzięcie; montowanie ich na Księżycu z gotowych elementów i zaopatrywanie na miejscu Start wahadłowca Discovery � Budowa i testy nowego załogowego pojazdu kosmicznego, tzw. Crew Exploration Vehicle/Orion. Nowy pojazd zastąpi wahadłowce jako środek transportu na ISS, lecz jego głównym zadaniem będzie transport załóg poza orbitę Ziemi. Pierwszy lot załogowy powinien odbyć się najpóźniej w 2014 r. � Powrót na Księżyc do 2020r. Począwszy od 2008 r., na Księżyc mają być wysyłane zautomatyzowane misje, których celem będzie badanie jego powierzchni i przygotowanie do lotów załogowych, które – przy pomocy Crew Exploration Vehicle – mogą się rozpocząć Źródło: ESA Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 23 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne w paliwo może okazać się rozwiązaniem tańszym. Wreszcie baza księżycowa służyłaby jako laboratorium do testowania nowych rozwiązań technologicznych i urządzeń w środowisku jak najbardziej zbliżonym do warunków przestrzeni kosmicznej. � Dalsze załogowe loty, w domyśle – misja na Marsa wykorzystująca doświadczenia zdobyte na Księżycu. Pierwszym krokiem będzie intensyfikacja misji automatycznych, sond i lądowników, lecz ostateczny cel to obecność człowieka na czerwonej planecie. Realizacja tego programu z jednej strony wymaga, a z drugiej umożliwia znaczny postęp technologiczny – nowe generacje napędów, systemy i urządzenia zdolne do długotrwałej pracy w kosmosie. Również ESA wspólnie z Rosją rozważa rozpoczęcie programu załogowego o nazwie Advanced Crew Transportation System (ACTS). Jego zadania byłyby podobne do stawianych przed amerykańskim Orionem. Pojazd mógłby wejść do użytku w 2015 lub 2016 roku. Po udanym locie załogowym przeprowadzonym przez Chiny (2003 i 2005), także w Indiach odezwały się głosy nawołujące do rozpoczęcia programu załogowego. Z informacji podanych przez ISRO wynika, że miałaby to być dwuosobowa kapsuła wynoszona przy pomocy rakiety GSLV. Pierwszy lot załogowy byłby możliwy w 2014 roku. 4.3 Stacje kosmiczne W latach osiemdziesiątych Stany Zjednoczone, Europejska Agencja Kosmiczna i Związek Radziecki opracowywały plany budowy stale zamieszkanej stacji kosmicznej. Jedynie to ostatnie państwo urzeczywistniło te zamierzenia, umieszczając na orbicie w maju 1986r. stację Mir (nie uwzględniając amerykańskiego Skylaba, który powstał „przy okazji” programu Apollo). W 1984 pojawiły się pierwsze plany budowy międzynarodowej stacji kosmicznej wspólnie przez USA, Japonię, Kanadę i Europejską Agencję Kosmiczną. W 1993 do tej inicjatywy dołączyła Rosja. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna powstała w wyniku połączenia projektów budowy rosyjskiej stacji Mir 2, amerykańskiej Freedom oraz europejskiej Columbus. Pierwsze moduły stacji zostały wyniesione na orbitę i połączone w 1998 roku. Pierwsza stała załoga zamieszkała na niej w roku 2000. Stacja ma docelowo składać się z 16 modułów (obecnie z 6) i liczyć 6 osób stałej załogi (aktualnie na jej pokładzie może jednocześnie przebywać 3 kosmonautów). ISS jest zasilana przez baterie słoneczne, a transportem ludzi i materiałów zajmują się amerykańskie wahadłowce programu STS (od lutego 2003 do 26 lipca 2005 wstrzymane z powodu katastrofy Columbii) oraz rosyjskie rakiety Sojuz i Proton. Budowa Międzynarodowej Stacji Kosmicznej miała przebiegać w 3 etapach i zakończyć się najpóźniej do 2010r. Planowany budżet na okres od roku 1994 do ukończenia budowy miał zamknąć się w kwocie 17,4 miliarda dolarów, lecz do momentu wystrzelenia pierwszego modułu w końcu 1997 roku wzrósł ponad dwukrotnie, do 40 miliardów dolarów. Tak znaczący wzrost kosztów projektu oraz problemy techniczne (np. wstrzymanie lotów amerykańskich wahadłowców po katastrofie Columbii) wpłynęły negatywnie na tempo prac. Do ich ukończenia niezbędne jest jeszcze kilkadziesiąt lotów kosmicznych (wahadłowców i rakiet Progress z zaopatrzeniem). Szacuje się, że łączny koszt budowy, utrzymywania i wysyłania kolejnych ekspedycji na Międzynarodową Stację Kosmiczną przekroczy 100 miliardów dolarów. Wobec zużywania tak ogromnych środków rośnie liczba przeciwników projektu, którzy widzą w nim stratę czasu i pieniędzy, jakie mogłyby umożliwić wysłanie wielu tańszych i efektywniejszych misji bezzałogowych. ISS jest wykorzystywana do badań nad fizjologicznymi efektami długotrwałego przebywania ludzi w przestrzeni kosmicznej, Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 24 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne a także do prowadzenia szeregu badań i eksperymentów naukowych, szczególnie w warunkach mikrograwitacji, niemożliwych do osiągnięcia na Ziemi. W związku ze zbliżającym się wycofaniem amerykańskich wahadłowców z użytku, koniecznie stało się przyspieszenie prac nad Międzynarodową Stacją Kosmiczną, gdyż do jej ukończenia niezbędne są właśnie te pojazdy. W celu złagodzenia skutków kilkuletniej przerwy pomiędzy wycofaniem wahadłowców i wejściem do użytku nowego statku, NASA rozpoczęła program Commercial Orbital Transportation Services (COTS), którego celem jest doprowadzenie do przejęcia przez firmy komercyjne transportu ładunków i ludzi na stację i z powrotem na Ziemię przy pomocy zbudowanych przez nie pojazdów kosmicznych. moduły Nautilus. Również Chiny przygotowują się do budowy własnej stacji kosmicznej. Brak oficjalnych informacji na temat jej parametrów, ale należy oczekiwać, że do roku 2012 będą to raczej zespoły dwóch statków załogowych, cumujących do siebie lub do modułu orbitalnego pozostawionego przez któryś ze statków poprzednich. Następnie Chiny prawdopodobnie wyniosą na orbitę małą stację będącą odpowiednikiem radzieckiej stacji Salut. W przypadku Rosjan należy oczekiwać skupienia się na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, gdyż w związku z wycofaniem amerykańskich wahadłowców z użytku, to na nich spocznie ciężar zapewnienia obsługi ISS. ISS Źródło: ESA Firmy prywatne, uznając potencjał komercyjny turystyki kosmicznej, również przystąpiły do realizacji projektów związanych z budową własnych stacji kosmicznych. Przykładem może być Bigelow Aerospace, który obecnie testuje na orbicie prototyp w skali 1:3 nadmuchiwanego modułu stacji kosmicznej. W 2008 roku planowane jest wystrzelenie docelowego modułu Nautilus. Moduły te mają być oferowane zainteresowanym na zasadach komercyjnych. Rok 2010 podawany jest jako data budowy pierwszej prywatnej stacji kosmicznej CSS Skywalker, pełniącej rolę kosmicznego hotelu. Rozważa się nawet budowę kosmicznych jachtów, w oparciu o Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 25 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne Lista technologii, których powinny być rozwijane dla potrzeb operacji na powierzchni Księżyca, zawarta w dokumencie „NASA’s Exploration Systems Architecture Study” z listopada 2005. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 26 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 27 Projekt Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Technologie kosmiczne Raporty I fazy Projektu Foresight Kierunki rozwoju systemów satelitarnych Kierunki rozwoju systemów satelitarnych: główne trendy Kierunki rozwoju systemów satelitarnych: łączność satelitarna Kierunki rozwoju systemów satelitarnych: satelitarna obserwacja Ziemi Kierunki rozwoju systemów satelitarnych: nawigacja satelitarna Kierunki rozwoju systemów satelitarnych: technologie kosmiczne Wszystkie raporty są dostępne na stronie internetowej Polskiego Biura ds. Przestrzeni Kosmicznej: www.kosmos.gov.pl Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej ul. Bartycka 18 A 00-716 Warszawa tel./faks: + 48 (22) 840 01 98 e-mail: [email protected] Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 28
Podobne dokumenty
Łączność satelitarna - Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej
W ramach projektu wypracowana zostanie wizja rozwoju sektora technik satelitarnych
i technologii kosmicznych w Polsce. Rekomendacje zebrane w trakcie jego trwania określą
priorytetowe obszary rozwo...
Kierunki rozwoju systemów satelitarnych
kosmicznego dla wspierania rozwoju gospodarczego i społecznego kraju.
Poniższy raport przedstawia światowe trendy rozwoju systemów satelitarnych, a więc ukazuje
perspektywę, w której powinny odbywa...
Łukasz Płotkowski - Dlaczego satelity nie spadają ? Krótka historia o
Przenieśmy się teraz do prawdziwego
satelity na orbicie.
Każdy atom pojazdu satelity jest „niby przywiązany niewidoczną linką” do środka
Ziemi. W kabinie satelity siedzi kosmonauta. Czy odczuwa on...
