Űrkutatási sikertörténet: Budapesten zárult a Rosetta-küldetés

2014. november 12. történelmi dátum az űrkutatásban: ekkor szállt le először emberkéz által készített objektum egy üstökösmag felszínére. A Philae leszállóegység viszontagságos, de összességében sikeresnek mondható története 2015 júliusában lezárult, mostanra pedig a Rosetta küldetése is a vége felé közeledik.

Magyar részvétel, budapesti zárás

Az űreszközök fejlesztésében komoly részt vállalt az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont (Wigner FK), az MTA Energiatudományi Kutatóközpont (EK), a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME), valamint az SGF Technológia Fejlesztő Kft. Munkájuk elismerésének is tekinthető, hogy a nemzetközi kutatóközösség és az ESA 2016. június 1–3. között Budapesten rendezte a Rosetta-Philae üstököskutató űrprogram záró konferenciáját.

Az üstökös aktivitását jelzik a magból kiáramló por- és gázcsóvák a Rosetta felvételén Forrás: ESA

A konferencia Európa számos országából érkező, mintegy 80 résztvevővel, sűrű programmal, sok tudományos és technikai jellegű előadással sikeresen lezajlott. A kutatók és a fedélzeti műszerek, valamint szolgálati alrendszerek készítői részletesen beszámoltak a naprendszer- és üstököskutatásban elért új tudományos eredményekről és a technikai-technológiai jellegű sikerekről is. A konferencia tanulságokat összefoglaló „Lessons learnt” szekciójában elhangzott előadásokon a tapasztalatok levonásán túl a jövőben alkalmazható javaslatokat is ismertettek.

Leszállóegység magyar aggyal

A fent említett magyar intézmények és ipari kisvállalkozás meghatározó szerepet játszottak a leszállóegység fejlesztésében. A leszállóegység „agyát”, a működését irányító számítógépet (Command and Data Management System – CDMS) a Wigner FK és az SGF Kft. fejlesztette.

A CDMS beszerelt állapotban Forrás: MTA EK

A valós idejű, sokfeladatos szoftver és a hibatoleráns hardver teljes egészében magyar fejlesztésű, az igen költséges, tényleges repülő hardvert ugyanakkor Németországban gyártották, a magyarok pedig a bemérését és a tesztelését végezték. A BME Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék Űrkutató Csoportjának tagjai az MTA kutatóival együttműködésben a leszállóegység fedélzeti energiaellátó és tápelosztó rendszerének fejlesztésében vettek részt. A tápellátó rendszer repülő példánya a központi vezérlő és adatgyűjtő számítógéphez hasonlóan Németországban készült el. Az MTA EK mérnökeinek és kutatóinak részvételével két műszer készült: a SESAME kísérlet DIM pordetektora és a ROMAP műszeregyüttes SPM plazmadetektora.

Teszteléshez készítik elő a Philaet Forrás: ESA

Bolygóközi odüsszeia rendkívüli eredményekkel

Az ESA Rosetta űrszonda és a Philae leszállóegység 2014-ben indított párosa az űrkutatás történetének kiemelkedően sikeres programja, mivel most először sikerült hosszú időn keresztül megfigyelni egy üstökös aktivitásának változását a napközeli pályaszakasz során, valamint először sikerült leszállni egy üstökösmag felszínén, és ott helyszíni méréseket végezni.

A Rosetta és rajta a Philae leszállóegység tízéves bolygóközi barangolása során összesen 6,4 milliárd kilométert repült, majd közel két és fél éves hibernált állapot után mindkét kutatóegység hibátlanul működésbe lépett 2014 tavaszán. A Philae 2014. november 12-én 500 millió km távolságra a Földtől sikeresen leszállt az üstökösmag igen tagolt felszínére. A Philae részben szintén magyar kutatók által készített műszerei rendkívül értékes adatokat gyűjtöttek közvetlenül a felszínről. A Philae az első mérések után, 57 órás működésének befejeztével energia hiányában elhallgatott, és a későbbi kapcsolatfelvételi kísérletek már nem jártak érdemben sikerrel, mivel a kétszeri elpattanás után sajnos árnyékos helyre került.

A Philae elválik a Rosettától egy fantáziaképen Forrás: ESA

Hova pattant a kis Philae?

A konferencián a kutatók többek között beszámoltak a pontos leszállóhely megtalálására tett erőfeszítésekről. Tudományos műszerek (elsősorban a magnetométer és az üstökösmag átvilágítására kifejlesztett rádióberendezés – ennek egységei mind a Rosetta keringőegységen, mind a Philae leszállóegységen helyet kaptak) mérési adatait elemezve sikerült behatárolni azt a területet, amelyen a végső leszállás megtörtént. Ezt a területet most a keringőegység kamerájának képeit vizsgálva fésülik át, hogy meghatározzák, hol is állapodott meg végül a Philae. A munkát a mért napsugárzás segítségével létrehozott felszínmodellek, valamint a közeli felszínről a leszállóegység által készített fényképek is segítik.

Fantáziakép a Philae feltételezett végső pozíciójáról az üstökösmag felszínén Forrás: FMI

Ez utóbbi, nagy felbontású közelképek információt adnak az üstökösmag keletkezéséről és a felszínt formáló folyamatokról is. A simább területeken megfigyelt repedéshálózatok illóanyagvesztésből és termikus anyagfáradásból fakadó aprózódásra utalnak. A durvább felületű szemcsés agglomerátumok méreteloszlásából következtetni lehet az üstökösmag keletkezésének körülményeire, a Naprendszer létrejöttének legelső lépéseire.

Jégből és porból préselt szilárd héj

A felszín tulajdonságaira dielektromos állandójának megméréséből is lehet következtetni. Ilyen mérések alapján állítják a kutatók, hogy az üstökösmagnak összepréselt porból és jégből álló, szilárd héja van. Ezt az eredményt erősítik a penetrátor mérései is, melyek a felszín rugalmassági és szilárdsági tulajdonságairól szolgálnak adatokkal.

A Rosetta „szelfije” Forrás: ESA

Több műszer analizálta a felszín anyagának összetételét is. A jégen kívül komplex szerves vegyületekben gazdag port sikerült kimutatni, melynek összetétele jól modellezhető a Földön is megszokott vegyületek keverékeként. Kimutatták, hogy a keverék nem tartalmaz savakat, ként és aromás vegyületeket, viszont az élő anyag egyszerűbb építőkövei nagy valószínűséggel megtalálhatók benne.

A leszállás során a pordetektor felső korlátot határozott meg a porfluxusra, továbbá a mérés milliméter körüli méretű, rendkívül porózus szerkezetű porszemcsét talált.

A leszállóegység és a keringőegység együttműködésében sikerült meghatározni az „üstökös dalának”, azaz a megfigyelt koherens mágneses hullámoknak a terjedési irányát és sebességét. A hullámok az üstökösmag felől indulnak kifelé, a sebesség 2,8 km/s értékűnek adódott.

Porózus mag nagyobb üregek nélkül

Szintén a leszálló- és keringőegység együttműködéséből származnak a mag belső szerkezetére vonatkozó információink. A magot átvilágító rádióberendezés adataiból kitűnik, hogy a mag kis skálán rendkívül porózus, viszont nagyobb üregeket nem tartalmaz. Sikerült pontosítani a jég és por arányára, valamint a por lehetséges összetételére vonatkozó információkat is.

Az eredmények jelentőségét az egyik résztvevő ezekkel a szavakkal foglalta össze: „Soha ezelőtt még nem szálltunk le ilyen ősi objektumra, mely a Naprendszer születésének és korai fejlődésének legrégebbi és talán legjobban megőrződött tanúja.”

Magyarok a parancsnoki hídon – a Command and Data Management System

A CDMS feladata volt a leszállóegység összes műveletének irányítása. Ide tartozott a hosszú időtartamú küldetés során a hasznos teher (tudományos műszerek, fedélzeti alrendszerek) ellenőrzése, a megközelítést követően a leszállóegység és a keringőegység szétválasztásának előkészítése, a felszínre történő leszállás és a felszínhez rögzítés vezérlése, továbbá a hőmérséklet-szabályozás megoldása és az energiaelosztás vezérlése az üstökösön végzett műveletek során. A CDMS a Rosetta közvetítésével vette a földi irányítás parancsait, és végrehajtotta őket. Gyűjtötte, majd visszaküldte az alrendszerek működése során keletkező és a tudományos műszerek által mért adatokat.

A CDMS Forrás: MTA EK

A CDMS moduláris felépítésű. Mivel létfontosságú feladatokat látott el, fontos volt felépítésénél a hibatoleráns architektúra alkalmazása. A legfőbb tervezési szempont az volt, hogy a fedélzeti számítógép a funkcionális alrendszerek meghibásodásának bármely kombinációja esetén is funkcióvesztés nélkül elláthassa feladatait. Mivel a jelentős jelterjedési idő miatt a küldetés során nem volt lehetőség gyors és közvetlen földi beavatkozásra, a számítógépnek autonóm módon fel kellett volna felismernie, ha egy egység hibásan működik, és ki kellett volna iktatnia, egyben aktiválva a megfelelő tartalék rendszert.

A processzor (DPU) pillanatnyi állapotát leíró kritikus adatokat – változók, paraméterek, hivatkozások, amelyek ahhoz szükségesek, hogy a másodlagos (tartalék) processzor ott tudjon folytatni egy megkezdett folyamatot, ahol az elsődleges befejezte – az aktuális elsődleges processzor meghatározott időnként elmenti a másodlagos processzorba. A másodlagos processzor ezeket az adatokat veszi alapul egy esetleges szerepcsere esetén. A DPU megvalósítására a tervezők a kis fogyasztású, űrminősítésű és sugárzásálló Harris RTX2010 processzort választották.

A CDMS egy tesztkimenete Forrás: MTA EK

Ez a 16 bites processzor Forth programozási nyelvre optimalizált struktúrájú, a Forth-utasítások végrehajtását hardveresen támogatja, ez biztosítja gyors működését. A Forth ma már feledésbe merült veremorientált (stack oriented) programozási nyelv. A nyelv két vermet használ, az egyiket az adatok tárolására, a másikat az utasítás-végrehajtáshoz. Az aritmetikai kifejezéseket RPN szintaxissal (Reverse Polish Notation) kell megadni, melynek lényege, hogy az adatokat a műveleti sorrend szerint a verembe kell írni. Meghívva a szükséges műveletet, az eredmény az adatverem tetejére kerül. A működtető programot tömörítve, négyszeresen tárolták az újraírható memóriában (EEPROM), az indítási és öntesztelést végző program csak olvasható memóriából (PROM) fut, és az elsőnek talált hibátlan működtető programot a RAM memóriából futtatja. Az EEPROM és RAM memóriákat Hamming kódolású hibavédelemmel látták el.

A CDMS feladatainak ütemezésére, párhuzamos futtatására saját fejlesztésű, valós idejű, preemptív, többfeladatos operációs rendszerre volt szükség. A földi parancsok számának csökkentésére a leszállóegység műveleteinek irányítása a statikus és dinamikus működést leíró paramétertáblák segítségével történt. A táblázatokat még a leszállás előtt fel lehetett tölteni, és a körülmények pontosabb ismerete alapján a megfelelő működtető szekvenciát földi paranccsal kellett indítani.