مریخ نورد Spirit و Opportunity (قسمت دوم)

ساختار سفینه ی فضایی برای رفتن کاوشگرها به مریخ

کاوش گرهای اکتشافی مریخ به گونه ای طراحی شده اند که در نوک یا دماغه ی موشک ماهواره بر دلتا – دو جاسازی شوند. محموله ی دلتا برای سفر به مریخ یک سفینه ی فضایی است که از چند بخش تشکیل شده است:

کاوشگر (185 کیلوگرم) ، تجهیزات فرود (348 کیلوگرم) ، چتر نجات و تجهیزات حفاظتی آن (209 کیلوگرم) ، سپر حرارتی (78 کیلوگرم) ، مرحله ی کروز (193 کیلوگرم) و سوخت (50 کیلوگرم) که مجموعاً وزنی معادل 1063 کیلوگرم دارد.

مرحله ی کروز

مرحله ی کروز بخشی از سفینه است که برای انتقال از زمین به مریخ مورد استفاده قرار می گیرد. این مرحله بسیار شبیه سفینه ی ره یاب مریخ است و حدود 2.65 متر قطر و 1.6 متر ارتفاع دارد که شامل ورودی سفینه نیز می شود.

تصویری از مرحله ی کروز سفینه

مرحله ی کروز دارای یک ساختار اولیه ی آلومینیومی با یک رینگ خارجی شیاردار است که توسط باتری های خورشیدی پوشانده شده. آرایه های خورشیدی دارای پنج بخش هستند و می توانند در زمین توان 600 واتی و در مریخ توان 300 واتی تولید کنند. گرمکن ها و عایق های چند لایه ، سامانه های الکترونیک سفینه را گرم نگه می دارند. یک «سامانه ی فریونی» نیز وجود دارد که گرما را از رایانه ی پرواز و سخت افزار مخابراتی بیرون می کشد(!) و از افزایش دمای این قطعات جلوگیری می نماید. «سامانه ی الکترونیک هوایی کروز» به رایانه ی پرواز کاوشگر این امکان را می دهد که با سایر سامانه های الکترونیکی مانند حس گرهای خورشیدی، اسکنرهای ستاره ای و گرمکن ها همکاری مشترک داشته باشد.

تشریح قسمت های مختلف مرحله ی کروز

اجزای ناوبری مرحله ی کروز

اسکنر های ستاره ای و حس گرهای خورشیدی: این اجزاء به همراه سامانه های پشتیبان خود به سفینه این امکان را می دهند که با مقایسه ی موقعیت خورشید و دیگر ستاره ها نسبت به موقعیت خود ِ سفینه در فضا، مسیر درست را پیدا کند. طول عمر مفید کارکرد سفینه 500 میلیون کیلومتر می باشد اما گاهی سفینه خارج از حالت کروز و بیش از این مسافت نیز کار می کند. سامانه های ناوبری شش مانور تصحیح حرکت را، برای سفینه در نظر گرفتند که همگی در آزمایش ها و شرایط واقعی موفقیت آمیز بودند.

مخزن های سوخت: برای رسیدن سفینه به محل صحیح فرودِ برنامه ریزی شده در مریخ، دو مخزم سبک آلومینیومی حدود 31 کیلوگرم سوخت هیدرازینی را به محل، حمل میکنند. این مخزن ها به همراه «سامانه ی هدایت و کنترل کروز سفینه» به سامانه ی ناوبری این امکان را می دهند که در پرواز کروز سفینه را در مسیر صحیح خود نگه دارد. پیشرانش ها یا موتور های ورنیه به سه روش مختلف و به کمک رژیم های تپشی (پالسی)، مسیر حرکت رت اصلاح می کنند.

1. پیشرانش محوری که در آن از دو موتور کمکی استفاده می شود و برای تغییر سرعت سفینه کاربرد دارد؛

2. پیشرانش عرضی که در دو مجموعه موتور کمکی مورد استفاده قرار می گیرد (در هر مجموعه چهار موتور کمکی وجود دارد) و برای اصلاح مسیر حرکت سفینه در طی پالس های ثانویه ی طولانی به کار می رود؛

3. پیشرانش مُد ِ پالسی (یا تپشی) که از هر دو موتور کمکی هم زمان استفاده می کند و برای تغییر مسیر سفینه در زمان گردش آن کاربرد دارد.

اجزای مخابراتی مرحله ی کروز

سفینه از امواج رادیویی با طول موج ایکس استفاده می کند. استفاده از باند ایکس این امکان را به سفینه می دهد که با توان کم و آنتن های کوتاه تر نسبت به سفینه های قبلی (که از امواج با طول موج کوتاه استفاده می کردند) ارتباط های خود را انجام دهد. ناوبر ها دستورهایشان را در مرحله ی کروز از طریق دو آنتن امواج ایکس به سفینه می فرستند؛ یکی آنتن برد کوتاه کروز و دیگری آنتن برد متوسط کروز.

آنتن برد کوتاه کروز: این آنتن داخل حلقه ی داخلی و آنتن برد متوسط در حلقه ی خارجی نصب شده اند. در طول پرواز، چرخش سفینه با نرخ دو دور بر دقیقه ثابت شده است. محور چرخش آن به گونه ای طراحی شده است که آنتن ها همواره به سمت زمین باشند و آرایه های خورشیدی نیز همواره به سمت خورشید سمت گیری نمایند. سفینه در ابتدا و زمانی که نزدیک زمین است از آنتن برد کوتاه استفاده می کند. آنتن برد کوتاه از نوع همه جهته (Omni Directional) است بنابراین توان انتقالی (که به زمین می رسد) با افزایش فاصله، سریعاً کاهش می یابد.

آنتن برد متوسط کروز: با دور شدن سفینه از زمین و نزدیک شدن آن به مریخ، خورشید در همان سطحی است مه از زمین دیده می شد اما میزان انرژی که از خورشید به سفینه می رسد  به میزان انرژی دریافت شده نمی باشد. بنابراین سفینه به صورت خودکار، آنتن خود را با آنتن برد متوسط جابجا می کند و می تواند موارد مشابه توان انتقالی را به امواج قوی تری تبدیل نماید تا امواج بتوانند به زمین برسند.

پوسته ی فضایی

پوسته ی فضایی، یک پوشش محافظ است که وسایل فرود را در طول هفت ماه سفر به مریخ، در خود حفظ می کند. طراحان «وسایل فرود» و خودِ «کاوشگر» را «وسایل نقلیه ی داخلی» می نامند؛ این بخش در درون پوسته ی فضایی جاسازی می شود تا از اثرات حرارتی شدیدی که در زمان ورود به اتمسفر نازک مریخ بر روی این اجزاء، به وجود می آید، جلوگیری می شود. پوسته ای که برای «روحیه» و «فرصت» طراحی شده بر پایه پوسته ای است که برای «سفینه های رهیاب مریخ» و «وایکینگ» طراحی شده بود.

شمایی کلی از پوسته ی فضایی کاوشگر مریخ

اجزای پوسته ی فضایی

این پوسته از دو. جزء اصلی تشکیل شده است؛ یکی پوشش حرارتی (صاف و قهوه ای کم رنگ مایل به خرمایی) و دیگری پوسته ی اصلی (بزرگ، سفید رنگ و مخروطی شکل)

پوشش حرارتی از کاوشگر و وسایل فرود در برابر اثرات حرارتی شدید (که در زمان برخورد با اتمسفر مریخ به وجود می آیند) جلوگیری می کند و به عنوان یک ترمز هوایی اولیه برای سفینه عمل می نماید. حمل ِ چتر نجات و اجزای دیگری که در طول ورود به جو مریخ، پایین آمدن سفینه و فرود آن به کار می روند به عهده ی پوسته ی اصلی می باشد. اجزایی که در پوسته ی اصلی جاسازی می شوند، عبارتند از:

1- چتر نجات که در بالای پوسته ی اصلی جاسازی شده است؛

2- باتری ها و اجزای الکترونیک پوسته ی اصلی که ابزارهای جداسازی مانند موتورهای ورنیه و ضامن چتر نجات را روشن و خاموش می کنند؛

3- واحد انداره گیری اینرسی (IMU) که موقعیت پوسته ی اصلی را در زمان پیچ و تاب خوردن چتر نجات نشان می دهد و گزارش می کند.

4- سه پیشران موشکی سوخت جامد بزرگ که به راکت های RAD یا راکت های کمکی فرود معروفند و هر کدام یک تن نیرو (10 کیلو نیوتون) را برای بیش از 2 ثانیه تولید می کنند.

5- سه پیشران سوخت جامد کوچک که TIRS نامیده می شود و در موقعیت خود خارج از پوشته ی اصلی به صورت افقی نصب شده اند. این پیشران ها ضربه ی افقی کوچکی وارد می نمایند تا در زمان فرود و هنگام کار راکت های اصلی، سفینه به صورت کاملاً عمودی درآید.

ساختار کلی پوسته ی اصلی

این پوسته توسط شرکت لاکهید مارتین در شهر دنور ایالت کولورادو ساخته شده است. این پوسته دارای یک ساختار آلومینیومی  لانه زنبوری شش گوشه است و با لایه های مسطح گرافیت – اپوکسی پوشیده شده است. خارج پوسته توسط یک ساختار لانه زنبوری از جنس فنلیک که با یک ماده ی فنا شونده پر شده، در بر گرفته شده است. ماده ی فنا شونده گرمای تولید شده در اثر اصطکاک پوسته با اتمسفر را جذب می نماید و با سوختن خود از آن محافظت می کند. ماده ی فنا شونده ترکیب همگنی از چوب پنبه، چسب یا بایندر (binder) و قطعات کوچک کروی از جنس شیشه ی سیلیسیم دار می باشد. این ماده چندین سال قبل برای سپر حرارتی وایکینگ ساخته شده بود. در اولین مأموریت فضایی عطارد که کاوشگرهایی به آن سیاره فرستاده شد (مأموریت آپولو و جمینی) نیز از تکنولوژی مشابهی استفاده گردید. از نظر فرمولی این ماده به گونه ای طراحی شده است که در زمان ورود با اتمسفر مریخ واکنش می دهد و حرارت را از بدنه ی «سامانه ی فرود» جذب می کند و گازهای داغ را در پشت سر وسیله بر جای می گذارد. در لحظه ی فرود و در زمانی حدود یک دقیقه، سرعت وسیله از 19000 کیلومتر بر ساعت به 1600 کیلومتر بر ساعت کاهش می یابد که شتابی حدود 60 متر بر مجذور ثانیه یا 6 برابر شتاب جاذبه ی زمین را به سامانه ی فرود و کاوشگر وارد می نماید. هر دو پوسته ی اصلی و سپر حرارتی از ماده ی مشابهی ساخته شده اند. اما سپر حرارتی از لایه ی ضخیم تری (12.7 میلی متر) از ماده ی فنا شونده برخوردار است. در عوض پوسته ی اصلی با یک فیلم خیلی نازک آلومینیومی به نام PET پوشیده شده است مه وسیله را از سرمای اعماق فضا محافظت می کند. این روکش در زمان ورود به اتمسفر مریخ تبخیر می شود.

چتر نجات

این چتر کمک می کند که سفینه در زمان ورود به جو مریخ، فرود آهسته ای داشته باشد و در پوسته ی اصلی جاسازی شده است. طراحی چتر نجات در سال 2003 بخشی از فرایند توسعه ی تکنولوژی چترهای نجات مریخ بود و بر پایه ی طراحی ها و آزمایش های صورت گرفته در دو مأموریت «رهیاب» و «وایکینگ» بنا نهاده شده است. چتر نجات برای این مأموریت 40 درصد بزرگتر از مأموریت «ره یاب» است زیرا بیش ترین بار وارد بر کاوشگر اکتشافی مریخ زمانی که چتر کاملاً باز می شود 80 تا 85 کیلونیوتون است در صورتی که بیش ترین بار برای مأموریت «ره یاب» در حدود 35 کیلونیتون بوده است. این چتر نجاب در «ویندسور جنوبی» توسط «شرکت فضایی پایونیر» طراحی و ساخته شده است.

شمایی از چتر نجات

ساختار چتر نجات

این چتر نجات از دو پارچه ی سبک وزن و مقاوم پلی استر و نایلون ساخته شده است و با یک زنجیر سه تایی از جنس کولار (Kevlar) به پوسته ی اصلی متصل می گردد. مقدارفضای در نظر گرفته شده برای چتر در سفینه بسیار اندک است ، لذا چتر تحت فشار بسته بندی شده است.قبل از پرتاب، یک گروه چند نفری بایستی چتر، 48 طناب تعلیق ِ متصل به آن و زنجیر سه تایی اتصال را، محکم جمع کنند و در جعبه ی ویژه ای بسته بندی نماید. این جعبه بار زیادی را جهت جمع نگه داشتن چتر به آن وارد می کند. قبل از گذاشتن چتر در جعبه ی اصلی، جعبه را با گرم کردن استرلیزه می کند.

مهندسان ناسا در حال آزمایش چتر نجات

اجزایی که به همرا چتر کار می کنند

طناب ها ی زیلون (Zylon)

پس از این که چتر در ارتفاع حدود 10 کیلومتری بالای سطح مریخ قرار گرفت، سپر حرارتی با کمک 6 مهره یا گره جداکننده و فنرهای فشاری جدا می شود. پس از آن پوسته ی اصلی جدا می گردد و قلاب های (Rappels) نوار فلزی را پایین می آورد. این نوار فلزی روی «سامانه ی ترکز هوایی گریز از مرکز» قرار دارد و این سامانه به نوبه ی خود بر روی وجوه سامانه ی فرود نصب شده است. با پایین آمدن آهسته ی نوار فلزی، سامانه ی فرود در موقعیت انتهای دیگر طناب قرار می گیرد. این طناب 20 متر طول دارد و از جنس زیلونِ بافته شده، ساخته شده است. زیلون الیافی است شبیه کِولار، اما از نوع پیشرفته؛ برای آن که موفعیتش افزایش یابد به صورت پوسته بافته می شود (مانند بند کفش). طناب زیلون ضمن فاصله دادن کیسه های هوایی از خروجی پیشران های سوخت جامد و افزایش پایداری آن ها، فضای کافی برای قرار گیری کیسه های هوایی را نیز فراهم می کند. سیگنال الکتریکی لازم برای شروع احتراق پیشران های سوخت جامد از همین طناب با سامانه ی ویژه ای که روی آن در نظر گرفته شده است، ارسال می گردد. این سیگنال بر اساس داده های واحد اندازه گیری اولیه (که نرخ و انحراف سفینه را اندازه گیری می کند) تولید و در موقع لزوم به پیشران های سوخت جامد ارسال می گردد.

پیشران های کمکی فرود (RED)

چون چگالی اتمسفر مریخ یک درصد چگالی کره ی زمین است، چتر نجات به تنهایی نمی تواند سرعت فرود را کاهش دهد و فرود امنی را برای کاوش گر ایجاد کند لذا فرود سفینه با کمک «پیشران های کمکی فرود»صورت می گیرد. این پیشران های سوخت جامد در ارتفاع 10 – 15 متری بالای سطح مریخ، رو به پایین روشن می شوند و با ایجاد نیروی مخالف نیروی جاذبه ی مریخ، فرود آرامی را برای کاوش گر فراهم می نماید.

واحد ارتفاع سنج رادار

این واحد برای تعیین تا سطح مریخ مورد استفاده قرار می گیرد. آنتن رادار روی یکی از گوشه های پایینی سامانه ی فرود که چهار وجهی است نصب شده است. زمانی که اندازه گیری رادار، فاصله ی مناسب از سطح مریخ را نشان دهد، طناب زیلون بریده خواهد شد و سامانه ی فرود از چتر نجات و پوسته ی اصلی رها شده و برای فرود آزاد می گردد. همچنین داده های رادار زمان باز شدن کیسه های هوایی و روشن شدن موتورهای کمکی فرود (RED) را مشخص می کند.

کیسه های هوایی

یسه های هوایی که در مأموریت اکتشافی مریخ استفاده شد، شبیه همانی است که در مأموریت «ره یاب» مریخ در سال 1997 استفاده شده بود. کیسه ی هوایی باید به اندازه ی کافی محکم باشد تا سفینه روی سنگ ها یا زمین های سنگلاخی فرود نرمی داشته باشد و در زمان فرود که سفینه سرعت آزاد آن زیاد است، بتواند آزادانه از سطح مریخ بلند شود؛ به زمین بخورد و به هوا بلند شود. همچنین کیسه های هوایی باید تا چند ثانیه قبل از برخورد باد شوند و بلافاصله روی سطح تخلیه شود. پارچه ای که برای کیسه های هوایی جدید استفاده شد از جنس مواد مصنوعی می باشد و وکتران (Vectran) نام دارد. همچنین پارچه در «ره یاب» نیز استفاده شده بود.مقاوما این ماده معمولاً دو برابر مواد مصنوعی دیگر مانند کولار است و در دماهای سرد بهتر عمل می کند. مثلاً اگر شش لایه از کولار برای استجکام مورد نظر کافی باشد؛ از پارچه ی «وکتران» یک یا دو لایه کافی خواهد بود. هر کاوش گر از چهار کیسه ی هوایی که هر یک شش قسمت دارد بهره می برد که همگی به هم متصل شده اند. این اتصال بسیار مهم است زیرا با انعطاف پذیرتر شدن و واکنش پذیرتر شدنِ این مجموعه نسبت به فشار سطح، از اعمال بسیاری از نیروها جلوگیری می شود.پارچه ی کیسه های هوایی مستقیماً به کاوش گر متصل نیستند بلکه مجموعه ای از طناب های متقاطع، کیسه های هوایی را اطراف نگاه می دارند. طناب ها به کیسه ها شکل می دهند و باز شدن (باد کردن) آن ها را آسان تر می نماید. در طول پرواز، در طول پرواز دائماً به سه مولد گاز (که برای باد کردن آن ها استفاده می شوند) چسبیده اند.

شمایی از کسیه های هوایی محافظ

آزمایش کیسه های هوایی

سامانه ی فرود

سامانه ی فرود یک پوسته ی محافط است که کاوشگر را در خود جای داده است. این سامانه به همراه کیسه های هوایی، کاوشگر را از نیروهای حاصل از برخورد با سطح مریخ حفظ می کند. سامانه ی فرود ساختار مقاوم و سبک وزنی دارد و از یک پایه و سه لبه تشکیل شده که در هنگام جمع شدن به شکل یک هرم چهار وجهی در می آید. سامانه ی فرود از تعدادی میله و ورق از جنس مواد کامپوزیتی تشکیل شده است. میله های سامانه ی فرود، لایه هایی از رشته های گرافیت بافته شده است و به صورت پارچه تولید می شود. ماده ی تولید شده از آلومینیوم سبک تر و از فولاد محکم تر است. برای اتصال این لایه های گرافیتی از فلز تیتانیم استفاده شده که کاملاً به میله های سامانه ی فرود چسبیده اند و ضمن ثابت کردن مجموعه، توانایی جابجایی و ارتعاش را به مجموعه می دهند. پسچ و مهره های مخصوصی گاوشگر را به کف سامانه ی فرود متصل کرده است که پس از فرود با انفجاری کوچک باز می شوند.

تشریح قسمت ها ی مختلف سامانه ی فرود هنگامی که کاوشگر در آن قرار دارد

تشریح قسمت ها ی مختلف سامانه ی فرود پس از باز شدن

چرخش کاوشگر برای عمودی قرار گرفتن

سه لبه ی سامانه ی فرود با لولاهایی به کف آن متصل شده اند. لولای هر لبه مجهز به موتور قدرت مندی است که می تواند کل سامانه ی فرود را بلند کند. کاوشگر و سامانه ی فرود جرمی حدود 533 کیلوگرم دارند. جرم کاوشگر به تنهایی در حدود 185 کیلوگرم می باشد. شتاب جاذبه در مریخ 38 درصد زمین است، بنابراین نیاز نیست که قدرت موتور برابر قدرت لازم آن روی زمین باشد. داشتن یک موتور در هر لبه از سامانه ی فرود، این اطمینان را ایجاد می کند که کاوشگر در هنگام فرود روی سطح مریخ، حتماً در موقعیت عمودی قرار می گیرد؛ حتی اگر سامانه ی فرود پس از رسیدن به سطج مریخ در حالت عمودی فرود نیاید.

کاوشگر یک دستگاه شتاب سنج دارد که شدت گرانش در هر ارتفاعی را می تواند تشخیص دهد و به کاوشگر بفهماند «کدام وجه سامانه ی فرود روی سطح مریخ قرار گرفته است و کدام هنوز به سطح نرسیده». رایانه ی کاوشگر تعیین می کند که کدام سطح پایین است و کدام لبه ی سامانه ی فرود باید باز شود تا سامانه ی فرود در حالت عمودی قرار گیرد. با باز شدن لبه ی مربوط، فشار وارد بر لبه از سطح مریخ، سبب می شود سامانه ی فرود حول محور لولای لبه بچرخد و در حالت عمودی قرار گیرد. زمانی که پایه ی سامانه ی فرود پایین آمد و کاوشگر در وضعیت عمودی قرار گرفت، دو لبه ی دیگر باز می شوند. در بهترین حالت، لبه های باز شده دارای موقعیتی صاف و مساوی هستند و هر سه لبه در یک سطح و ارتفاع قرار می گیرند. اما اگر یک یا دو لبه مثلاً بر روی سنگی قرار گیرند، موتور تعبیه شده در لبه ها، آن قدر قوی هستند که لبه را با اعمال نیرو بر روی سطح مریخ بالا آورد تا کاوشگر روی سطحی پل مانند و مسطح قرار گیرد. همه ی این کارها برای آن است که کاوشگر معبر ایمن و مناسبی برای خروج و رفتن بر روی سطح مریخ داشته باشد. تیم پرواز (که در زمین مستقرند) دستوراتشان را برای میزان مردن لبه ها به کاوشگر می فرستند تا این معبر ایجاد شود به این گونه که کاوشگر از ارتفاع سقوط نکند و یا روی سطح ناهمواری فرود نیاید.

انتقال امن کاوشگر به سطح مریخ

فرایند انتقال کاوشگر از سامانه ی فرود را «فاز خروج» می نامند. کاوشگر باید قادر باشد بدون اینکه چرخ هایش به کیسه های هوایی گیر کند یا اینکه از سرازیری تند سقوط کند، از سامانه فرود خارج شود. برای کمک به فرایند خروج، لبه های سامانه ی فرود، دارای یک سامانه ی کشنده است که کیسه های هوا را آرام به سمت سامانه ی فرود می کشد و از سر راه کاوشگر کنار می برد. این عمل قبل از باز شدن لبه های سامانه های فرود انجام می گردد. یک سطح کوچک شیب دار یا رمپلت (Ramplet) به لبه ها متصل می شود که پهن شده شیب مناسبی را برای عبور ایجاد می کند و فضای بزرگ بین لبه های سامانه را پر می نماید.

 

این سطح شیب دار اصطلاحاً Batwings نامیده می شود و از جنس پارچه ی وکتران تهیه شده است. این سطح، سطوح ناهموار و خطرناک و موانع سنگی و باقیمانده ی کیسه های هوایی را می پوشاند تا مشکلی برای چرخ های کاوشگر ایجاد نشود و چرخ ها گیر نکنند. این سطح پارچه ای، یک سطح دایره ای حول محور فرود ایجاد می کند و کاوشگر می تواند دور آن بچرخد. در این حالت کاوشگر می تواند از هر یک از لبه های سامانه ی فرود به خارج هدایت شود. در واقع رمپلت ها ارتفاع پله ای را که کاوشگر باید طی کند تا از سامانه ی فرود خارج شود کاهش می دهند و از سقوط کاوشگر جلوگیری می کنند. اگر کف کاوشگر به سنگی اصابت کند یا هنگام خروج از سامانه ی فرود گیر بیفتد، تمامی مأموریت بر باد داده می شود؛ بنابراین این مرحله بسیار اهمیت دارد.

این هم سیر تا پیاز فرود !

منبع:ماهنامه ی «هوافضا»

پیام بگذارید