סיקור מקיף

צלילה לאטמוספירה של מאדים

רשומה זו היא השניה במספר, בסדרה שאני כותב לקראת הנחיתה של קיוריוסיטי על מאדים . הנחיתה תתרחש בבוקר ה-6 באוגוסט, וזה הולך להיות מפגן היכולת הטכנולוגית הגדול ביותר בהיסטוריה של חקר החלל, בהנחה שיצליח כמובן.

קיוריוסיטי. תמונת אילוסטרציה - נאס"א
קיוריוסיטי. תמונת אילוסטרציה – נאס"א

הכתבה פורסמה לראשונה בבלוג של יואב לנדסמן: מסה קריטית.

לכתבה הראשונה בסדרה: כמה קשה לנחות על מאדים?
ההימור שלי הוא שהמשימה תצליח, למרות המורכבות הרבה של המבצע. אני נוטה לחשוב שבפרויקט שבו הושקעו 2.5 מיליארד דולרים, בתקופה בה תקציב נאס"א מקוצץ והפגיעה העיקרית היא במחקר הפלנטרי, נעשו כל המאמצים כדי שלא יישאר מקום להפתעות שעלולות להחריב את המשימה. עם זאת, אין דבר כזה הימור בטוח.

קטע המשימה מהכניסה לאטמוספירה ועד הנחיתה הוא השלב המסובך והמסוכן ביותר במהלך המשימה. החללית משנה את צורתה ואופן פעולתה מספר פעמים עד שהיא מגיעה לקרקע, מבצעת לראשונה תרגילים שבשום אופן לא ניתן לנסות אותם על פני כדור הארץ למעט בהדמיות ממוחשבות, תלויה במספר רב של רכיבים מכניים ואלקטרוניים ומנוהלת על ידי תוכנה בעלת אינספור שורות קוד. מה כבר יכול להשתבש?!

MSL (Mars Science Laboratory, הנושאת את הרובר קיוריוסיטי) שוגרה ב-28 בנובמבר 2011 על גבי משגר אטלס, והתחילה מסע בין 254 ימים לכיוון מאדים. למעשה, המסלול המקורי היה מביא אותה לפספס את מאדים ב- 40,000 קילומטרים בערך, ואת הפער הזה צמצמו רק בחודשים האחרונים. זאת כדי שבמקרה של תקלה חמורה לא תתרסק החללית אלא תמשיך לנוע במסלול סביב השמש.
כעת נעה החללית במסלול שיביא אותה לכניסה לאטמוספירה העליונה של מאדים ובימים הקרובים היא תבצע מספר תיקונים נוספים שיכוונו במדוייק את מיקום וזווית הכניסה כדי שתגיע היישר אל יעד הנחיתה. החללית מיוצבת באמצעות סחרור איטי, ומופעלת בחשמל שמיוצר על ידי התאים הסולריים שעל גב שלב השיוט.

 

MSL עם שלב השיוט המכוסה תאים סולריים. איור: נאס"א
MSL עם שלב השיוט המכוסה תאים סולריים. איור: נאס"א

בחמשת הימים שלפני הכניסה לאטמוספירה יתחיל רצף פעולות לקראת הנחיתה, שיכלול התחלת חימום של רכיבים מסויימים וטעינת פרמטרים לתוכנה האוטונומית של החללית, למשל פרמטרים של המיקום המדוייק שלה, או התנאים האטמוספריים באזור הנחיתה (כפי שנצפים על ידי המקפת MRO). פרמטרים אלו יסייעו לתוכנה לנהל את מהלך הנחיתה באופן מיטבי.

תקרת האטמוספירה איננה מיקום ברור. השכבה העליונה נעשית דלילה יותר ויותר ככל שמתרחקים מהקרקע, ולצורך מעשי מסתיימת בגובה של כ-125 קילומטרים. החללית לא נכנסת לאטמוספירה מעל אתר הנחיתה, אלא נכנסת בזווית קהה במרחק של מעל 600 קילומטרים מהיעד. MSL חודרת לאטמוספירה במהירות מסחררת של כשישה קילומטרים בשניה, והמשימה שלה היא לבלום את המהירות הזו כדי להנחית את הרכב הרובוטי בעדינות רבה, וכמובן במיקום הנכון במדוייק.

האקשן מתחיל עשר דקות לפני הפגיעה באטמוספירה. מספר מנגנונים פירוטכניים מתפוצצים ומשליכים מעליה את שלב השיוט. MSL נותרת בנפילה חופשית מעל מאדים.

 

השלכת שלב השיוט של החללית MSL. איור: נאס"א
השלכת שלב השיוט של החללית MSL. איור: נאס"א

MSL מורכבת משני חצאים חיצוניים, מגן החום, שבנוי בצורת חרוט רחב, והמעטפת האחורית (Back shell). החללית ממתינה דקה אחת להתרחקות שלב השיוט, ומפעילה את מנועי ההידרזין שעל המעטפת האחורית כדי להפסיק את הסחרור, וכדי לכוון את מגן החום קדימה, לכיוון התנועה של החללית ולקראת המפגש עם האטמוספירה.

חמש דקות לפני הכניסה לאטמוספירה מתבצעת פעולה מעניינת. שתי משקולות טונגסטן השוקלות כל אחת 75 קילוגרם, מושלכות מצידה האחורי של החללית, ובכך גורמות למרכז הכובד שלה לזוז קדימה. פעולה זו תגרום לחללית לקבל יציבות אווירודינמית, ולמעשה לייצר כוח עילוי מסויים. הג'יירוסקופים והמנועים הרקטיים של החללית יאפשרו לבקֶר ולשלוט בכיוון שלה, ולשמור אותה בנתיב הנכון. בשלב זה ניתן יהיה לקזז את רוב ההפרעות הלא צפויות שעלולות להיגרם משינויים בצפיפות האטמוספירה ומרוחות.

את הכניסה המבוקרת והמיוצבת לאטמוספירה של מאדים ניתן להשוות לכניסה הבליסטית של הרוברים הקודמים, שלמעשה היו נתונים לאקראיות של התופעות האטמוספריות, וזו הסיבה העיקרית לכך שאזור הנחיתה שלהם היה גדול לאין שיעור מזה של קיוריוסיטי.

MSL שועטת לכיוון אתר הנחיתה. איור: נאס"א
MSL שועטת לכיוון אתר הנחיתה. איור: נאס"א

תוך כדי החיכוך באטמוספירה תאט החללית ל-10% ממהירותה ההתחלתית. לשם כך עליה לשרוד תאוצה של מעל 10 ג'י, וטמפרטורה של מעל 2,000 מעלות צלזיוס, שאותה יחסום מגן החום.

בשלב הזה, מהירותה של MSL צפויה להיות כ-2 מאך (פי 2 ממהירות הקול), ובמהירות זו כבר אפשר לפרוש את המצנח הענק שתוכנן במיוחד למשימה זו.

לפני פרישת המצנח צריך "ליישר" את החללית כך שהמכ"ם שלה יפנה כלפי מטה ויוכל למדוד את הגובה והמהירות של החללית. ה"התיישרות" תתבצע על ידי השלכת שש משקולות טונגסטן בנות 25 קילוגרם כל אחת, היושבות באותו צד על היקף החללית. מרכז הכובד משנה שוב את מיקומו, והצד הכבד יותר יסתובב כלפי מטה.
מדהים בעיני ששוגרו לחלל 300 קילוגרם של טונגסטן שהתפקיד היחיד שלו הוא להיזרק החוצה. אבל פעם עשו את אותו הדבר עם שקי חול בכדורים פורחים, נכון? (מישהו יודע אם עדיין עושים את זה?)

במשך כל שלב הכניסה לאטמוספירה, תהיה MSL בקשר רדיו ישיר עם כדור הארץ, ואת השידור יקלטו ברשת החלל העמוק (Deep Space Network). מערך DSN כולל שלושה אתרי שידור וקליטה המצויידים באנטנות ענק (70 מטרים) שמאפשרות תקשורת עם חלליות במרחק רב מאוד. האתרים נמצאים בקליפורניה, בספרד ובאוסטרליה, ויחד מכסים את כל הכיוונים סביב כדור הארץ.

בנוסף לשידור הישיר, תשדר MSL גם שידור UHF לשלוש המקפות שסביב מאדים: אודיסיי, מארס-אקספרס, ו- MRO. כל השלוש יקליטו את השידור שיקבלו, אבל רק אודיסיי מסוגלת לשמש כממסר שמעביר את השידור בזמן אמת לכדור הארץ. MRO תעביר אותו לאחר מספר שעות ומארס-אקספרס תשמש כגיבוי בלבד.

המידע שהן תקבלנה הוא נתונים על החוויות שעוברת MSL, כמו טמפרטורה, לחץ, רעידות, ועוד מידע שיכול לסייע למשימות עתידיות למאדים.

אנטנת 70 מטר בגולדסטון, קליפורניה
אנטנת 70 מטר בגולדסטון, קליפורניה

שימו לב לכך שכשכתבתי זמן-אמת, התכוונתי שהשידור יהיה בזמן אמת, אבל הקליטה בכדור הארץ תתעכב, כי התשדורת צריכה לצלוח 248 מיליון קילומטרים. גלי הרדיו נעים במהירות האור, ולכן הזמן שיחלוף מרגע השידור ועד להגעתו לכדור הארץ הוא כמעט 14 דקות.

המשך הרפתקאות הנחיתה של קיוריוסיטי ברשומה הבאה.

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

24 תגובות

  1. אח, יהודה…..האיש והסבדרמיש…
    אתה לא יודע אם צריך את זה?
    ומה עם הפרשי הלחצים הנגרמים בחללית במעברים שלה בין הפלנטה שלנו לפלנטות של אי.טי ושאר החייזרים?

  2. ל נ.צ
    לטונגסטן יש שתי תכונות מעניינות
    משקל סגולי גבוה למעלה מ 19 גרם לס"מ מעוקב
    טמפרטורת היתוך גבוהה למעלה משלושת אלפי מעלות
    ולכן הנפח יהיה קטן ולא תהיה סכנת היתוך
    האם צריך את זה?, לא יודע.
    שבוע טוב
    סבדרמיש יהודה

  3. שאלה פשוטה, מדוע טונגסטן, מדוע לא נחושת,אופלדת אל חלד, או אפילו גלילי עופרת מצופים ?

  4. תודה לר.ח. רפאים
    לגבי העיסוק הזמן שאני מקדיש כיום הוא כ 10 אחוז ואני מחפש מה אפשר לעבוד בנוסף. אם למישהו יש רעיונות, אשמח!
    שבוע טוב
    סבדרמיש יהודה

  5. יהודה
    אז תתחיל להאמין בזה שיש אנשים שיודעים מה שהם עושים. ואפילו על מה הם שחים.
    למשל תוכל לשאוב דוגמה מאדם כמו יואב לנדסמן.
    חוץ מזה אני מאחל לך הצלחה בעיסוקייך (בין אם זה פנסיה או עדיין עיסוק בייעול עסקים. (:))

  6. ליואב
    נידמה לי שטעית
    מה שחשוב זה המשקל הסופי שנחת! על פי זה יש לארגן את כל שאר הדברים כולל הטיל
    אם נחת במאדים ס"ה 900 ק"ג, זה אחרת אם נוחתת רק 90 ק"ג- קוריאוסיטי מיני (:))
    ואני מעריך שאם היו מעבירים למאדים קוריאוסיטי מיני זה היה עולה בהתאם הרבה פחות
    אבל באמת מיצינו את עצמנו בנושא.
    ולמר רפאים
    אני מזמן הפסקתי להאמין שהאנשים בטח יודעים מה שהם עושים. מספיק להבחין מה רבות הטעויות הנעשות, ובעיקר בגופים גדולים.
    ולגבי התואר, אני בוגר מיכללת שנקר בניהול תעשייתי ועוסק ביעול מפעלים בעיקר בענף הטקסטיל והנייר (את אלה שנשארו בענף כמובן)
    (:))
    שבוע טוב
    סבדרמיש יהודה

  7. אני יודע מה כתבתי. לא ניתן להגיע משם לשום מקום מלבד לתוך האטמוספירה.
    החשבון שלך לא משווה בין הדברים הנכונים. המשקל של כל החללית בעת השיגור הוא כמעט 4000 ק"ג, ולאטמוספירה נכנסים כ- 2500 ק"ג ולא רק 900.
    נכון ש- 900 ק"ג נחתו על מאדים, אבל קח בחשבון שבשביל ה- 900 ק"ג האלה שיגרו טיל ששוקל 335,000 ק"ג, שכולם (פרט ל- 900 של קיוריוסיטי) נזרקו בדרך. אז מהם ה- 300 ק"ג האלה אם לא פחות מפרומיל ממשקל המשימה כולה?
    בתקופה הזאת של קיצוצים בתקציבים של נאס"א, הם באמת עושים הכל כדי שהמשימה תהיה יעילה וזולה כמה שרק ניתן, והפתרונות שמופגנים בפרויקט הזה הם מדהימים ביצירתיות שלהם תחת האילוצים התקציביים.
    קל מאד להאשים את המהנדסים בקלות דעת בלי להבין את מגוון האתגרים שאיתם נאלצים להתמודד, וכמי שמכיר את העסק מבפנים, ומהתשובות שקיבלתי מהאנשים בפרוייקטים הללו, עושה רושם שהם רציניים, מנוסים וזהירים ביותר.
    אני מוכן לענות על שאלות, אבל בויכוח הזה אני לא ממשיך.

  8. יהודה
    אני בטוח שהמהנדסים שם חשבו טוב טוב לפני שהם בחרו באופצייה לזרוק, "כך סתם", "למעלה משש מאות מיליון דולר".
    נו באמת… מר. סבדרמיש…
    אולי פשוט לא ידוע לך הסיבה מדוע עשו זאת? (גם לי לא ידוע אם זה מנחם אותך )))
    ומה זה "מהנדס ביעול עסקים"? אני מקווה שזה לא כמו "עסקן שיעיל בהינדוס".

  9. אני מסתמך על מאמר בהידען
    https://www.hayadan.org.il/curiosity-powered-up-for-martian-voyage-231111/

    קוריוסיטי הוא רובוט במשקל 900 ק"ג ועוד משקולות במשקל 300 ק"ג ס"ה 1200 ק"ג שלהביא אותם למאדים עלה 2500 מיליון דולר!!!, מכאן, כל ק"ג משלוח למאדים עלה למעלה משני מיליון דולר. אז כשמגיעים למאדים זורקים אותם סתם כך?, למעלה משש מאות מיליון דולר ?????
    אז אני אולי לא מבין גדול אבל ס"ה זאת מסה שניזרקת!! אני בטוח שהייתי יכול לעניין תעשיות חלל מה לעשות ב300 ק"ג אלה שישוחררו ליד מאדים!!אוניברסיטאות היו מוכנות לנצל זאת.
    אני לא מהנדס חלל אבל אני מהנדס ביעול עסקים ואני בטוח שאפשר היה לנצל את המשקל הנ"ל בצורה יותר טובה מאשר סתם לזרוק.
    יואב לנדסמן, במאמר כתוב:-
    חמש דקות לפני הכניסה לאטמוספירה מתבצעת פעולה מעניינת. שתי משקולות טונגסטן השוקלות כל אחת 75 קילוגרם, מושלכות מצידה האחורי של החללית
    כלומר הן מושלכות לפני הכניסה לאטמוספרה ולא כמו שחשבת.
    בזבוז!!
    ור. ח. רפאים- אתה טועה ומטעה. אני נסעתי על B.S.A תרנגול (אנגלי) ולא על הרלי דוידזון.
    חייבים לדייק
    להתראות ביום שני בבוקר
    שבוע טוב
    סבדרמיש יהודה

  10. יואב לנדסמן
    תודה על התשובה. נדמה שהחוק של הוק עובד בכל זאת.

    יהודה

    באמת. מה אתה מבין.
    וכמה טוב שאתה רק צופה בפובוס ודימוס, ונהנה לנסוע על הארלי, ולא מתעסק בהנדסה של חלליות שצריכות לטוס לפובוס או לדימוס.

  11. יהודה, המשקולות משוחררות בתוך האטמוספירה. בלתי אפשרי להגיע משם לירחים של מאדים.
    אם במקום משקולות היו משליכים מכשירי מדידה, למשל, אז היה צריך לבנות ערוץ תקשורת איתם, היה צריך לתכנן, לייצר ולבדוק אותם. הדברים האלה עולים המון כסף, בעוד שמשקולת עולה מעט מאד.
    משקולות בחלליות הן לא דבר נדיר. למעשה כמעט בכל לווין או חללית יש משקולות קבועות שמטרתן לגרום למרכז הכובד להיות בדיוק היכן שמתאים מבחינת המשימה (מיקום לא מדוייק יגרום למשל למנועים לתת מומנט שונה מהתכנון).
    אני הופתעתי כי כאן יש 300 ק"ג של משקולות, שזה הרבה יחסית למשקל הכולל, אבל הן לא משמשות לאיזון, אלא לשינוי מיקום מרכז הכובד, וזו לדעתי דרך חדשנית ומעניינת להתמודד עם הצורך לשנות את הדינמיקה ואת ההכוון של החללית תוך כדי תנועה באטמוספירה.

  12. ליואב לנדסמן
    שוב נשאלת השאלה: האם אי אפשר היה להשתמש במקום משקלות סתם , במכשיר מדידה ניסוי כל שהוא הרי הוא לא חייב להיות גליל טונגסטן אלא כל מסה באותו משקל. לדוגמא היו משחררים טיל במסה הזאת ומנסים להגיע לאחד הירחים דימוס או פובוס, לנחות עליו או אפילו סתם להתנגש בו כדי להבינ ממה הוא בנוי.
    לא יעזור, סתם להגיע לשם רק כדי להזרק?, לא מקובל עלי.
    אבל, מה אני מבין.
    שבוע טוב
    סבדרמיש יהודה

  13. לשאלתכם בעניין המשקולות – הן רק גלילי טונגסטן, ושחרורן מטה את חרטום החללית כלפי מטה יחסית לכיוון התנועה. זה יוצר זווית התקפה, ומי שלמד קצת אווירונאוטיקה או טיסנאות יודע שכך מייצרים עילוי.
    באמצעות שליטה בכיוון העילוי עם המנועים הרקטיים מנווטים את החללית בלי לבזבז דלק על דחף.
    במסיבת העיתונאים לפני יומיים הוסבר שזו השיטה הכי פשוטה וזולה שהיתה להם. שחרור משקולות פשוט הרבה יותר ובטוח הרבה יותר מחלקים נעים ואלקטרוניקה.
    כל אחת מהמשקולות משתחררת באמצעות מנגנון עם יתירות מובנית (שני נפצים, ולא רק אחד), ויתכן שהנחיתה יכולה עדיין להצליח גם אם לא כל המשקולות משתחררות.

  14. יהודה.

    גם וגם. נראה לי שהרחקת המשקולות גורמת לסיבוב הגוף העיקרי (לא רק שינוי מרכז הכובד שלו) וזאת בעיקר משיקולי תנע (יתכן שאני טועה, חסרים פרטים). נראה לי שגם העתונאי לא הבין מספיק את התמרון לכן ההסברים שלו מעורפלים.

    קשה לדעת מה האלטרנטיבות להרחקת המשקולות, לשם כך צריך להכיר בפירוט את המבנה של כל המערכת. למתוח ביקורת ולהציע הצעות שיפור מצידך אינן לעניין כאשר לא ידועים לך כל הפרטים.

  15. SAFKAN

    אין פה חוק שימור התנע כי אם פשוט שינוי מרכז הכובד וזה מוסבר במאמר, המשקולות נימצאות מאחור וגורמות למרכז הכובד להיות קרוב אליהן מאחור. ברגע שהן מנותקות, מרכז הכובד זז קדימה.
    הבעייה שלא מוסברת היא למה הם לא יכלו לטוס כל הזמן בלי המשקלות כשמרכז הכובד הוא קצת יותר קדימה?, האם יש צורך שמרכז הכובד יהיה בכל הטיסה מאחור?, אני בטוח שיש סיבה רק שאני לא מבין מה היא.
    איך הסתדרו בחלליות אחרות?, למה בחלליות (הקטנות יותר) אפשר היה להסתדר בלי משקלות שמביאים אותן רק כדי לזרוק אותן?
    ואם כבר למה לא ניצלו משקלות אלה למטרה אחרת למשל חללית במשקל 150 ק"ג שתמשיך לנוע לכובי הלכת הרחוקים?,
    אולי חללית שתבדוק את האנומליה של פיאוניר?
    או אחת שתנחת באיזה אסטרואיד באזור?
    מה דעתכם שזה יהיה אפילו מיכל דלק רזרבי שחללית עתידית תוכל לתדלק איתו בהמשך?
    ואולי אפילו סתם להציע למוסדות או עסקים את מאות הק"ג האלה לשימושם עם/בלי תשלום. אני בטוח שהם היו מוצאים מה לעשות עם זה.
    ואולי…., המשקלות אינן משקלות סתם אלא משהו אחר (צבאי?), שהאמריקאים לא רוצים לספר לנו עליו?….. סתם קונספירציה.
    אם לא כן, לי המשקלות ניראות כבזבוז משאבים.
    אבל, מה אני מבין.
    שבת שלום
    סבדרמיש יהודה

  16. יהודה

    המשקולות בעלות מסה *גדולה* כי הן חייבות להשפיע על התנוחה של מתקן שהמסה שלו *גדולה* (חוק שימור התנע).

  17. יש כל כך הרבה אפשרויות לתקלות, וכל תקלה היא קריטית לדוגמא משחררים משקלות- מה יקרה אם אחת לא תשתחרר?
    המצנח מנותק בשלב מסויים- מה יקרה אם אחד החבלים לא יתנתק?
    ועוד ועוד
    אני גם מצטרף לפליאה של יואב לנדסמן, כותב המאמר, שמשקלות בכמות גדולה נישלחו רק כדי להיזרק
    אבל מה אני מבין
    להתראות בשישי באוגוסט
    שבת שלום
    סבדרמיש יהודה

  18. זה בלתי אפשרי מכיוון שתנאי האקלים השוררים במאדים הם היחידים שיכולים לאפשר הדגמה וניסוי של נחיתה על מאדים. (כשאני אומר אקלים אני מתכוון גם דלילות אטמוספרה וכו')

  19. "(החללית) מבצעת לראשונה תרגילים שבשום אופן לא ניתן לנסות אותם על פני כדור הארץ"

    לא הבנתי מדוע זה בלתי אפשרי ? מדוע הם לא יכלו לבנות דגם אמיתי אשר מדגים את שיטת הנחיתה המיוחדת הזו על כדור הארץ ? יכלו לבדוק לפחות את השלבים האחרונים של הנחיתה כדי לוודא שזה באמת עובד בשטח.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן