Автоматичен транспортен кораб – засилване на позицията на Европа в космоса Understand article

Превод: Е. Маламова (Elisaveta Malamova). Откъде астронавтите получават храна си? Какво се случва с отпадъците? Adam Williams от Европейската космическа агенция в Дармстад,…

Представете си автобус на два етажа, движещ се от покрайнините на Лондон до Стадиона „Уембли”. Нека проследим движението му от границите на града Уиндзор (където живее английската кралица), на 30 км от „Уембли”, и да наблюдаваме движението му бавно към центъра на Лондон. С приближаването му към магистралата Hanger Lane, на около 3.5 км от неговата дестинация, спира за няколко минути, преди да продължи по North Circular Road и нагоре по Harrow Road, докато се доближи до стадиона, на около 0.25 км. Накрая, минава около половин час, докато криволичи до пролука за паркиране. След като е добре паркирал, поглеждаме вътре в автобуса и разбираме, че е без шофьор.

Нека сега си представим това пътуване на 350 км в космоса и да заместим стадиона Уембли с Международната космическа станция (МКС), чиято площ покрива приблизително площта на футболното игрище, но се движи с около 27000 км. Устройството с размери на автобус, което се приближава към МКС е т.нар. Автоматичен транспортен кораб (АТК) проектиран от Европейската космическа агенция (ЕКА) да лети до и автоматично да се скачи с Международната космическа станция. По време на финалното си приближаване, плавно се придвижва със скорост по-малка от 0,25км/ч, и с точност на позициониране, не повече от 10 см.

Международната космическа станция (МКС) е мултинационален проект, целящ да построи и поддържа лаборатория, в която ще се провеждат експерименти в условия на микрогравитация. Гравитацията на МКС не е абсолютно нулева, поради влиянието на много малки сили, причинени от неща като масата на самата станция и реакцията на триене от атмосферата. Експериментите касаят главно ефекта от продължителен престой на човешкото тяло в условия на микрогравитация. Учените също планират да използват МКС за изследване на ефекта от микрогравитацията върху физичните свойства на флуиди, свойства на аерозоли, озон, водна пара и оксиди в земната атмосфера, а също така космично лъчение, космичен прах, антиматерия и тъмна материя във Вселената.

Дългосрочните цели на това изследване са да се разработи технологията необходима за човешко присъствие в космичното пространство, изследване на планетарно колонизиране (включително системи за поддържане на живота, мерки за безопасност и мониторинг на космичното пространство, например), нови начини за лекуване на болести, по-ефективни методи за произвеждане на материали; за по-точни измервания, които не биха могли да се постигнат на Земята, и постигане на едно по-цялостно разбиране на Вселената.

Международната космическа станция ще има постоянен екипаж от шест астронавта (до Април 2009 само трима членове от екипажа ще бъдат постоянно на борда на станцията). Екипаж и продоволствия се транспортират от и за МКС, използвайки или космическата совалка Space Shuttle на НАСА, или на Руската космическа агенция – ракетата носител „Съюз”. Автоматичният транспортен кораб е най-сложният досега космически кораб построяван, изстрелван и експлоатиран от Европейската космическа агенция и ще съставлява основния й принос към експлоатационните разходи на Международната космическа станция.

Планирани са няколко АТК. Първият, наречен „Жул Верн”, на името на известния френски писател на научна фантастика, ще бъде изведен в орбита на борда на ракетата „Ариана 5”, от Френска Гвиана^w1. Докато тази статия се подготвяше, изстрелването беше планирано за 9 март 2008 и АТК беше планиран да се скачи с МКС на 3 април 2008г^w2.

Корабите, които ще се скачват с Международната космическа станция обикновено имат някакъв ръчен контрол за финалните маневри. Космическата совалка и ракетата „Съюз” са контролирани от пилот на борда; корабът „Прогрес” е управляван от екипажа на МКС. Автоматичният транспортен кораб (АТК) ще бъде първият кораб, който ще се скачи абсолютно автоматично. Макар, че АТК ще бъде наблюдаван внимателно по време на приближаването и скачването от наземни оператори и екипажа на МКС, той е проектиран да се справя автономно с всякаква непредвидена ситуация без да предизвиква повреди на МКС, или да заплашва сигурността на екипажа. АТК е проектиран да носи около 9 тона експериментална апаратура, оборудване, гориво, вода, храна и други доставки от Земята за МКС, която е в орбита на около 350 км от Земята. Първият товарен полет ще включва резервни части за Европейската лаборатория „Колумб”^w3 и за самия АТК, лични вещи на екипажа, и луксозно издание от 19ти век на романа на Жул Верн „De la Terre à la Lune” („От Земята до Луната).

След като се скачи с Международната космическа станция, АТК ще стане разширение към нея, с обем от 22 m³, осигуряващо допълнително пространство за обитаване от екипажа на МКС. Докато е свързан с космичната станция, товарът от експериментална апаратура ще бъде транспортиран заедно с повече от 810 кг вода, 100 кг азот, кислород и въздух и почти 860 кг пропелант (двигателно гориво за МКС). Освен това, АТК ще използва тръстерите си, за да коригира и настрои орбитата на 400-тонната космическа станция. Това е необходимо защото, макар да има много малко количество от атмосферата на височина 350 км, МКС е толкова масивна, че това може да предизвика гравитационно притегляне от Земята. От време на време, МКС трябва да се изтласква нагоре, на по-голяма височина, където опасността да се отклони от орбита е по-малка. Ако това не се прави, МКС рано или късно би паднала. АТК ще се използва също за спешни маневри, които ще са необходими, ако космически отломки се очакват да ударят космическата станция.

След около шест месеца, АТК ще бъде натоварен с твърди и течни отпадъци от станцията (използвайте въображението си! Онези празни резервоари също могат да побират нещо). АТК ще бъде отделен от МКС и насочен обратно към Земята, където ще изгори безвредно в атмосферата над необитаема област от Тихия океан.

Тъй като АТК ще се приближи и скачи с МКС, безопасността на екипажа на борда на МКС е от първостепенна важност. Повечето функции на космическият кораб са двойно подсигурени, т.е. всяка системна единица, превключвател и клапа са дублирани, така че корабът да може да издържи на евентуална авария. Когато е намесен човешки живот, системите трябва да са тройно осигурени; АТК е така проектиран, че да може да се справи с две едновременно възникващи повреди. Това съответно увеличава цената и теглото на кораба, макар че е трудно да се изрази количествено.

Например, АТК има тръстерна система с главни и резервни тръстери за направляване докато корабът се скачва с МКС. В случай, че двата – главният и резервен тръстер се повредят, има отделна тръстерна система, контролирана от напълно отделен хардуер и софтуер. Тази система ще бъде използвана специално, ако се окаже, че АТК не може да се скачи както трябва с станцията. То може да бъде вследствие на повреда в системата на АТК или ако скоростта е не както се очаква, или пък ако има независим проблем на МКС (като например пожарна аларма). Наземните оператори на АТК в Контролният център в Тулуза (Франция), екипажът на МКС или самият АТК могат да програмират тръстерната система така, че да насочи корабът на безопасно разстояние от МКС. Операторите след това могат да преценят ситуацията. Ако е напълно ясно и поправимо, те могат да програмират АТК да заобиколи МКС и да се върне пак в позиция за втори опит. Ако не е ясна причината, АТК ще може да се паркира на 2000 км от МКС докато се изясни причината за проблема.

Сложността на мисията „Жул Верн” се състои в това, че трябва да се осигури безопасността на работа на всички системи. Само, когато се демонстрира , че всички от тези жизнено важни операции за безопасност работят безупречно, ще бъде разрешено скачането на АТК към МКС (вж. раздела „Подготовка за изстрелване”)

Тренировки за изстрелване

Преди АТК да бъде изведен в орбита, наземният екип в Центърът за контрол на АТК в Тулуза (Франция), заедно с контролния екип на МКС в Хюстън (САЩ), и Москва (Русия), съвместно с представители на екипажа на МКС, трябва да проведат поредица от тренировъчни симулации. В следващите редове ще прочетете какво се случва по време на типичен ден за подготовка.

05.00 CET (Централно европейско време): Оператор от Тулуза стартира устройството, което ще симулира Автоматичният транспортен кораб, Международната космическа станция, Американската сателитна мрежа за комуникации TDRS, сателитът за комуникации на Европейската космическа агенция „Артемис” и част от комуникационната мрежа на Европейската космическа агенция и Руската наземна станция. Това обхваща три страни, управлявайки в три контролни центрове. В Москва и Хюстън други оператори също подготвят техните компютри, готови за мултинационална тренировъчна сесия.

06.30: Екипът пристига за кратки инструкции. Проверява се интерком системата за връзка между отделните обекти.

06.52: Има проблем със симулатора в Тулуза, забавя се стартът на тренировъчната сесия. Операторът прекарва напрегнати минути в проследяване на причината за проблема. Ако симулаторът не може да стартира както трябва, ще се наложи да се свикат отново инженери от цял свят, които участват в операцията.

08.05: Бутонът СТАРТ е натиснат и симулаторът започва да изпраща данни. Скачването ще започне след около седем часа; преди това симулацията се състои в приближаване до МКС, достигайки до маневра „Избягване”, която показва, че скачването може да бъде спряно, ако се наложи.

08:41: Инструкторите във всеки контролен център обсъждат последиците от забавяне на старта. Хюстън може да участва за 8 часа, след което тяхното оборудване е необходимо за тренировъчни операции на тяхната совалка. Инструкторите решават да избързат с една от планираните повреди в системата, за да осигурят времето необходимо за тренировки.

11.28: АТК започва поредица от самонасочващи движения. Проблем е докладван в комуникационния център в Оберпфафенхофен (Германия). Без да са информирани изпитателите, се симулира повреда в комуникационната връзка между Оберпфафенхофен и Тулуза. Следва поредица от обаждания по интеркома и наземните оператори бързо се справят с проблема.

14.18: АТК се приближава то МКС, набира калибровъчни данни за оптичните датчици, използвани за контрол на финалното скачване. Неочаквано, спешно се чува по интеркома: „Това е спешен случай” Тулуза е загубила връзка с кораба.

14.25: Повредата е проследена – оказва се, че има проблем с Американската сателитна мрежа за комуникации, умишлено създаден от инструктора. Той преценява колко дълго да остави екипа в тази критична ситуация и след това решава проблема. Сега операторите в Тулуза трябва да програмират АТК за отдалечаване от МКС и за повтаряне на затварящата маневра, за да набере отново ценната калибровъчна информация, изгубена по време на комуникационния срив.

15.29: Планираната маневра „Избягване” е в действие. АТК маневрира безпроблемно от МКС и симулацията е към своя край. Ръководителите на полета и инструкторите имат дискусия на четири очи относно интеркома , идентифициране на основните успехи и повреди, и всичко което е нужно да бъде подобрено или променено.

Независимо от закъснелия старт и дългия тежък ден, екипът е доволен от постиженията. Те минават около главната контролна зала, поздравявайки се за успешното справяне с проблемите, пред които са били поставени. Те са демонстрирали своя опит в контролирането на най- сложния космически кораб на ЕКА, който е построяван досега, и уверено се доближават до началото на мисията на Автоматичния транспортен кораб.

Мисията ще започне с изстрелването и първа фаза на действие, когато космическия кораб ще бъде издигнат на ниска земна орбита от ракетата „Ариана 5”. Това може би е най-рисковата част от мисията особено, докато АТК разгърне своите четири матрици от слънчеви панели, използвани за генериране на енергия, необходима за контрол на кораба. Въпреки, че АТК има батерии, които осигуряват захранване на контролните системи докато слънчевите панели започнат да действат, те рано или късно ще се изтощят; ако панелите не работят, корабът ще се повреди и цялата мисия ще бъде провалена.

След първата фаза, космическият кораб ще проведе серия от маневри, за да достигне орбита, подходяща за фазата на свързването с Международната космическа станция.
Приближаването към МКС ще се характеризира със строго спазване на серия от координати и маневри за поддържане на орбита спрямо станцията (вж.раздела „Приближаване към МКС). Около 15 дни след излизане в орбита, започва финалното приближаване и &АТК ще се скачи автоматично с МКС (вж. раздела „Руска система са скачване”), следвано от проверки на всяка точка от орбиталната позиция на станцията. АТК е проектиран да се справя с широк диапазон от едновременно възникващи проблеми без да предизвиква повреда на самия кораб или на МКС. Всичко е автономно – контролният екип и екипажа са там само, за да наглеждат нещата в случай, че се случи нещо непредвидено.

Веднага щом се скачи, космическият кораб ще бъде наблюдаван с помощта на данни изпратени от МКС до Контролният център в Тулуза; софтуерът на борда на АТК и в Тулуза може да регистрира неочаквани ситуации – всичко от повреда на вентилатори за циркулация на въздуха до пожар.
Накрая, всички хубави неща трябва да имат край. АТК ще се отдели от МКС и ще се потопи в огнени пламъци в горните слоеве на атмосферата. Но това не е еднократна мисия. Дизайна и принципа на действие, доказани по време на мисията „Жул Верн” ще бъдат използвани за построяването и полета на най-малко още четири такива автоматични транспортни кораби. В последствие АТК ще се изстрелват приблизително веднъж годишно, презареждайки МКС и осигурявайки жизненоважна поддръжка на програмата на МКС за следващото десетилетие.

Приближаване до МКС

Пътуването на АТК до МКС ще се характеризира с поредица от реперни точки, места по станцията, където АТК спира и наземния екип за контрол проверява дали всичко е ОК преди да продължат. Това може да се сравни с пощальон, който доставя поща. Пощальонът не знае дали има зло куче, и дали е завързано или ще го атакува: той стига до края на пътя (спира и проверява дали всичко е ОК); стига до вратата (спира отново), доближава се до входната врата (спира отново); отваря пощенската кутия и пуска писмото. Ако в някакъв момент се появи кучето (или започне да вали, или разбира че е сбъркал адреса) , той се отдалечава!

Реперните точки на станцията са номерирани от S_-5, от която започва операцията по приближаване до МКС (в този момент АТК е на 100 км от станцията), до S₄₁, в която корабът е само на 12 м преди скачването.

Когато АТК достигне S_-1/2 (около 40км зад и 5км под станцията), глобалната система от датчиците за позициониране на АТК и МКС ще бъде използвана за изчисляване на техните положения. След това АТК ще премине през S₀ (на 30км от МКС) и ще спре в точка S₂, разположена на 3.5 км зад и 100 м над МКС.

След като всички проверки в точката S₂ приключат, механизмът „Избягване” ще се включи, за да се демонстрира коректността на операцията за безопасна маневра, след което АТК ще заобиколи МКС и ще се върне в позиция S_-1/2. След два дни, ще бъде проведена втора демонстрационна фаза. АТК ще се приближи до S₃, на 280 м зад МКС.

По-нататък, ще се проведат следващи проверки в точката S₃, и АТК ще се включи на визуална система за контрол на финалното приближаване. Преди да се започне със скачването ще бъдат демонстрирани поредица от команди за задържане и отмяна, за да се провери дали екипажът или операторите от наземните контролни станции могат да спрат неуспешен опит за скачване, ако последното е необходимо. След успешното отдалечаване от позицията S₃, АТК ще продължи към точка S₄, която е на 25 м от МКС, и след това към S₄₁-почти на 12 м от нея. Отново ще бъде обявена отмяна, и накрая маневрата „Избягване”, крайният тест за прекъсване на операцията, който отново ще остави АТК да обиколи МКС и да се завърне в първоначалната позиция S_-1/2.

Накрая ще бъде изкомандвано финалното приближаване и АТК ще се скачи с Международната космическа станция.

Руска система за скачване

Системата за скачване на АТК е руска система, използвана от руските космически кораби, и проектирана за използване на отвор за свързване на руският модул на МКС.

В момента на приближаване на АТК до МКС, се „протяга” сонда от предната част на кораба. Върха на сондата има датчици, които регистрират контакт със свързващия канал на МКС.

Когато е регистриран контакт, АТК започва включва тръстер, който насочва корабът към отвора. Когато сондата достига края на канала за скачване, корабът спира и закрепя сондата със свързващия отвор.

След това сондата се отдръпва, което пък от своя страна приближава АТК с МКС, и закача АТК автоматично със станцията. Накрая двете тела стават единна структура.

Web References

• w1 – За да гледате видео клип с изстрелването на Ариана 5,вж: www.scienceinschool.org/repository/docs/Ariane5launch.wmv
• w2 – За повече информация за АТК,вж.: www.esa.int/SPECIALS/ATV/index.html
• w3 – За повече информация за Лабораторния модул „Колумб”, четете интервю с Бернардо Пати в този брой на Science in School:
• Вегенер А-Л (2008) Лаборатория в космоса: интервю с Бернардо Пати. Science in School 8. www.scienceinschool.org/2008/issue8/bernardopatti/bulgarian

Resources

• За да конструирате собствен модел на АТК, вж.: http://esamultimedia.esa.int/docs/atv_model/ATV_2002.htm
• За да разберете кога МКС може да бъде видяна от вашата географска ширина, вж.: www.esa.int/seeiss
• За видео и анимация с извеждането в орбита и скачването на АТК , вж.:
• http://www.esa.int/esa-mmg/mmg.pl?b=b&keyword=jules%20verne&start=1

Institutions

Author(s)

Адам Уилямс е ръководител по тренировъчни и симулационни операции в Европейската космическа агенция. Първоначално софтуерен инженер, и за кратко, гимназиален учител, той работи в оперативния център на ЕКА в Дармстад, Германия. Адам в момента прекарва половината от своето време в Тулуза (Франция), където е Центърът за контрол на АТК, участвайки в подготовката на извеждането в орбита на АТК.

Review

Статията е главно за АТК – автоматичните транспортни кораби, проектирани за автоматично скачване с Международната космическа станция. Макар че има моменти, засягащи траекторията на АТК между излитане и скачване, които се отнасят до физика от пред университетско ниво (механика), темата, която може да се обсъжда с голям интерес – за учителите по технологии – е може би диагностика и контрол на системи.

От друга страна, целта на МКС, включва редица въпроси, които биха били интересни за учителите по физика – освен това е предвидена още една статия, посветена на МКС в следващ брой на списанието.

Нещо повече, много учители по природни науки (и технологии) ще оценят тази статия и някои от учениците биха я намерили за интересна. Следват някои идеи за това как може да бъде използвана статията.

‘„Ефекта от микрогравитацията върху физиката на флуидите, окисляване, и свойства на аерозоли” – това може да прерасне в дискусия за това какъв би бил ефекта (например, в случаите на конвекция, запалена свещ, и дифузия в газ, съответно).

„Космични лъчи, космичен прах, антиматерия, и тъмна материя във Вселената” – учениците могат да направят проучване в библиотека или интернет за природата (и важността) на тези феномени, и да направят презентации в клас.

Въпросите за диагностика и контрол на системи биха били подходящи по-скоро за часовете по технологии, отколкото за програмата по природни науки – и има достатъчно материал за провеждане на урок с различни дейности и подходи.

Ерик Дисон, Обединено кралство

License

CC-BY-NC-ND