Megrázó fogadtatás, hőhullámok és elviselhetetlen üresség – íme, az MTA EK új űrtechnológiai tesztlaborja

Alapos tesztelés nélkül nem lehet semmit az űrbe küldeni. Nemcsak a küldetés sikeréről van szó, a felbocsátást ugyanis manapság nagyrészt magáncégek végzik, és gyakran egyszerre több műholdat állítanak pályára. Márpedig, ha a mi szerkezetünk nem bírja az extrém rezgést, vagy mondjuk, a hirtelen lecsökkenő nyomásban eldurran az egyik alkatrésze, annak a rakomány többi műholdja is a kárát láthatja. Így hát mára komoly szabványrendszer védi a műholdakat egymástól és a tervezői gondatlanságtól. E szabványok betartásához pedig különleges precizitásra és szigorú tesztekre van szükség. Nagyon sok tesztre.

Mi vár egy műholdra?

Kezdjük a felbocsátásnál. A rakéta testéhez rögzített műholdat az indítástól a pályára állításig rengeteg erőhatás, lökés éri, ahogy a különféle hajtóműfokozatok és fúvókák működésbe lépnek. Ezek a rezgések nagyszerűen szimulálhatók egy rázópaddal – hasonlóval, mint amilyet az autógyárak is használnak.

Ha a műhold kilépett a világűrbe, az első komoly kihívást a légüres tér jelenti: alapvető, hogy a beépített anyagok ne kezdjenek el vadul párologni a vákuumban, illetve semmi se deformálódjon a hirtelen megváltozott nyomásviszonyok miatt. Ezért hát mindenképpen meg kell vizsgálni egy vákuumkamrában, mire lehet számítani.

A levegő hiánya a nyomás csökkenése mellett egyúttal azt is jelenti, hogy nincs olyan közeg, ami elvezesse a hőt. Márpedig az áramkörök működése hőt termel, és persze ott van a napfény, mely a műhold napos oldalát felmelegíti, míg az árnyékos oldal igencsak lehűl. Az ilyen extrém hőmérsékleti viszonyok szimulálására szolgál a klímaszekrény, illetve a légüres tér viszonyaival kombinált változata, a termovákuum-kamra.

Ha ez még nem lenne elég, akkor ott vannak a különféle elektromágneses sugárzásokra és vezetett zavarokra vonatkozó kompatibilitási vizsgálatok (EMC-tesztek), illetve a kozmikus sugárzás miatt szükséges sugárállósági elemzések és tesztek.

És ezek csak az alapvizsgálatok – külön foglalkozni kell a műholdunkra szerelt műszerek működésének tesztelésével.

A teszteknek van egy bevett sorrendjük, amelyet nem igazán érdemes megkavarni. Nincs értelme például a rázópad előtt kifinomult teszteket végrehajtani a műszereken a termovákuum-kamrában, hiszen előfordulhat, hogy a szerkezet nem bírja a rázást, és a mérnökök kénytelenek visszaugrani a startmezőre, vagyis a tervezőasztalhoz.

Hogy a dolgot még tovább bonyolítsuk, a műholdaknak általában (legalább) két példánya készül el: a mérnöki és a repülő példány. Előbbin szépen kiküszöbölik a lehetséges elvi hibaforrásokat, végigcsinálják vele a teszteket, majd ezek után építik meg az űrbe konkrétan felbocsátandó repülő példányt – hogy ismét tesztek hosszú sorát végezzék el rajta. Olyan ez, mint az iparban a prototípus és a sorozatgyártott példányok viszonya, azzal a különbséggel, hogy a legtöbb műholdnál mindössze egyetlenegy repülő példány készül el.

A RADCUBE mikroműhold fantáziaképe. Tervezésében és megvalósításában oroszlánrészt vállalnak az MTA Energiatudományi Kutatóközpont munkatársai Forrás: radcube.hu

A mikroműhold-forradalom

Az utóbbi években a mikroműholdak világa robbanásszerű fejlődésen ment keresztül, nem ritka, hogy egy-egy rakétával több tucat, nagyjából cipősdoboz méretű műholdat állítanak pályára. E mikroműholdak korábbi generációjához tartozott az első magyar műhold, a Masat-1, de kicsit nagyobb testvére, a RADCUBE is, melynek terveiről mi is beszámoltunk.

A rengeteg mikroműhold rengeteg tesztet is igényel, tervezőiknek viszont jellemzően nem éri meg saját tesztrendszereket fenntartani. Így hát egy mikroműhold tervének megszületése után rendszerint kezdetét veszi egy logisztikai rémálom. Különféle teszthelyszínek között kell oda-vissza szállítani a műhold mérnöki, majd (szerencsés esetben) repülő példányát, és gyakran előfordul, hogy egy észlelt hiba után kezdődhet elölről a sor: időpontfoglalással, mászkálással, újabb és újabb szerelésekkel.

A tesztközpont bejárásán készült képeink itt láthatókEzen a cseppet sem vidám helyzeten próbál némiképp enyhíteni az MTA Energiatudományi Kutatóközpont, ahol Horváth Ákos, Pázmándi Tamás, Hirn Attila, Zábori Balázs és munkatársaik új űrtechnológiai tesztközpontot alapítottak. Itt egy helyen valósítják meg a tesztelés több fázisát, és biztosítanak megfelelő körülményeket a szereléshez. Saját űreszközeik tesztelésén túl a tesztlabor bevételt hoz majd a kutatóközpontnak.

Zábori Balázs a tisztatér zsilipelő helyiségének ablaka mellett Forrás: mta.hu/Szigeti Tamás

Tisztatér

Az MTA EK tesztlaborja egy csaknem pormentes légterű szoba, a tisztatér köré épül. Ilyen helyiségeket az űreszközök szerelésén kívül például ott használnak, ahol a meghibásodott merevlemezeket szétszedik, vagy a processzorok áramköreit maratják (más és más előírásokkal a maximális pormennyiségre).

Akit a dolog mélyebben érdekel, nézzen körül itt – az EK-tesztlabor tisztatere ISO 7-es minősítésű, ami zsilipelést és különleges ruhát jelent, de nem a filmekben látott szkafandereket. Az ilyen terek jellemzője, hogy belül mindig picit magasabb a légnyomás, mint kívül (szintenként 15 Pa-lal), így a zsilipelésnél és az esetleges réseken is csak kifelé áramlik a levegő.

A pormentességre egyrészt a különféle érzékelők tisztasága miatt van szükség (gondoljunk csak a bosszantó koszfoltokra a digitális fényképezőgépek érzékelőin), másrészt azért, mert apró, porszerű fémszilánkok akár zárlatot is okozhatnak az elektronikában.

A nagy teljesítményű rázópad, melynek tetejére csavarokkal rögzíthető a vizsgált mintadarab. Forrás: mta.hu/Szigeti Tamás

Rázópad

A tisztatér egyik oldalán egy rázópadot találunk, amely 5–2500 Hz frekvenciával 600 kg-os tömegig bármiből ki tudja rázni a lelket. A rázás során akár 160 g-s gyorsulás is elérhető. Összehasonlításként: egy autó ütközésénél nagyjából 60 g-s gyorsulásnál (pontosabban lassulásnál) nyílnak ki a légzsákok. Magyarországon most ez az egyik legnagyobb teljesítményű, külső megrendeléseket is fogadó rázópad.

Azonban nem is a teljesítmény teszi igazán izgalmassá az EK rázópadját, hanem az, ami körülveszi. Egyrészt az itt dolgozó csapat már töviről hegyire ismeri az űripari szabványokat, ami nem hátrány, ha az ember valóban be szeretné bizonyítani az Európai Űrügynökségnek vagy egy űripari magáncégnek, hogy a műholdja nem fog darabokra esni egy óvatlan pillanatban.

Érdemes tudni, hogy itt nem egyszerűen agyatlan rázatásról van szó. Minden műholdat hordozó rakétának van egy rázási profilja, vagyis (némileg leegyszerűsítve) pontosan megadják, hogy milyen frekvencián mekkora erővel rázza a benne elhelyezett műholdakat – ezt a próbát kell kiállnia a reménybeli űreszköznek. Külön izgalmakat jelent, ha már akkor tanúsítani kell a műhold rázásbiztosságát, amikor még nem választották ki a hordozócéget. Ilyenkor egyszerre az összes számításba jövő rakéta rázási profiljának meg kell felelni, és ezt meglehetősen kevés szerkezet képes elviselni.

A környezet másik fontos eleme a már említett tisztatér. Ha ugyanis a műhold repülő példányát tesztelik, és valami hibát érzékelnek a rázópadon, le kell szedni a szerkezet borítását, és utána kell nézni a problémának. Az űripari szabványok azonban előírják, hogy minden ilyen műveletet pormentes közegben kell végezni. Most már kezdhetjük megérteni, miért is kap ennyire központi szerepet a tisztatér egy ilyen tesztlaborban, és miért jó, ha nem három várossal odébb kell rázatni az űreszközt.

A termovákuum-kamra, bal oldalán a műszerek és mérőeszközök elvezetéseivel, jobb oldalán pedig a kétlépéses vákuumgenerátorral Forrás: mta.hu/Szigeti Tamás

Termovákuum-kamra

Ha a műhold túlélte a rázást, és a rezonanciamérések alapján a szerkezete sem változott, elérkezik az idő, hogy kitegyék az űr kegyetlen viszonyainak. Itt a főszerepet a termovákuum-kamra kapja. Jelen esetben ezt úgy lehet elképzelni, mint egy fél méter átmérőjű masszív víznyomócső félméteres darabját, melyet mindkét oldalon lezártak egy-egy fémlemezzel. Az űrbeli viszonyokat egy kétlépéses vákuumrendszer szolgáltatja, mely képes jóval egyezred Pa alá csökkenteni a nyomást. A Nap sugárzását és az árnyékot a henger egyik végét lezáró rézlemez szimulálja, melynek hőmérséklete –70 és +95 fok között igen pontosan szabályozható.

A teszt itt sem csak annyiból áll, hogy beteszik a vákuumba a szerkezetet, jól felmelegítik, és azután megnézik, hogy túlélte-e. A műhold testének különböző pontjaira érzékelőket rögzítenek, továbbá az elektronika vezérlését és mérését is ki tudják vezetni a kamrán kívülre. Így a szabványokban meghatározott hőmérséklet-ingadozások mellett vizsgálhatják a műhold viselkedését és alkatrészeinek működését.

A termovákuum-kamra mellett egy klímaszekrény is van a laborban, amelyben ugyan nincs vákuum, viszont a hőmérséklet még szélesebb határok között változtatható (–70 foktól +180 fokig). Ezt a mérnöki példány előzetes tesztjeinél érdemes használni, hiszen ha az elektronika már itt elbukik, semmi értelme addig továbblépni a vákuumos tesztekre, amíg ki nem küszöbölték a hibákat.

A laborban pontos jegyzőkönyveket vezetnek a tisztatér állapotáról és használatáról a vizsgálatok alatt (ez egyébként az ESA-programoknál elvárás), továbbá a rázópad és a termovákuum-kamra kalibrációs méréseit is csatolják a majdani teszteredményekhez.

A kalibráció kérdéskörével el is jutottunk az utolsó, elektromágneses kompatibilitási tesztfázisig, melyben a műhold által kibocsátott és elnyelt elektromágneses sugárzásokat vizsgálják. Ilyen tesztrendszer nem működik ugyan az EK-ban, azonban a csapat rendelkezik egy, az ESA által elfogadott kalibrációs állvánnyal, amelynek hiányában egyszerűen érvénytelennek tekintik a méréseket, akármilyen pontos műszerekkel végzik is azokat. Így hát a tesztlabor az utolsó fázisban is segíthet: a kalibrációs állvánnyal felvértezve egy külső laborban végezhetik el a teszteket.

Hogyan jutottak el idáig...

Az EK-ban felálló csapat tapasztalatai jelentős részben az Európai Űrügynökséggel folytatott közös munkából származnak. A kutatóközpontban készülhettek magyar egyetemisták az ESA REXUS/BEXUS projektjeire, melyekben rakétára, illetve magaslégköri ballonra kellett különféle mérési kísérleteket tervezni. A magyar diákok és kutatók igencsak sikeresek voltak, hiszen három projektjük is helyet kapott a rakétán, illetve a ballonon 2011 és 2015 között. Ezt a számot akkor tudjuk igazán értékelni, ha tudjuk, hogy egy évben összesen nagyjából egytucatnyi kísérletnek jut hely Európából.

Ami a diákoknak izgalmas kísérlet, a kutatóknak fontos tapasztalat volt, hiszen itt ismerkedhettek meg testközelből az ESA szabványaival. Nem szabad persze elhallgatni azt sem, hogy ezek a projektek az Európai Űrügynökség munkaerőbázisát is növelik: akire itt felfigyelnek, az számíthat rá, hogy előbb-utóbb kap egy komoly állásajánlatot.

...és miért jó ez nekünk?

Magyarország 2015-ös ESA-csatlakozása óta az Európai Űrügynökség szabványai egyre fontosabbak a hazai űripariban. Ahhoz, hogy egy magyar fejlesztés bekerüljön egy ESA-programba, illetve pályázhasson az ESA-tagdíjunkból visszaigényelt pénzekre, ezeknek a szabványoknak kell megfelelni.

Korábban azonban, ha egy magyar űripari cég ESA-támogatást igényelt, akkor az összeszerelésére és tesztelésére a pénzt leggyakrabban külföldi cégeknél költötte el. Vagyis hiába került első lépésben magyar céghez a visszaigényelhető magyar ESA-befizetés, jelentős részben külföldre ment. Az EK-ban kiépült labor ezt a pénzt is segíthet itthon tartani.

Az űripar természetesen a lehető legnemzetközibb üzletág, így az MTA EK tesztlaborban külföldi megrendelésekre is számítanak – annál is inkább, mert az európai tesztlabor-kapacitás eleve kevésnek tűnik, és a magyarországi árak (a konkrét laboratóriumi szolgáltatás mellett beleértve az ittlét költségét is) a nyugati szint felét sem érik el.

Címlapkép: az Európai Űrügynökség SmallGEO platformjára épülő Hispasat 36W-1 műhold felbocsátása a Kourouból, forrás: ESA/Stephane Corvaja