Penetrator geologiczny CHOMIK (misja Fobos-Grunt)

Nazwa projektu: CHOMIK
Odbiorca: Instytut Badań Kosmicznych Rosyjskiej Akademii Nauk
Kierownik projektu: J.Grygorczuk
Uczestnicy projektu: K.Seweryn, M.Morawski, H.Rickman, J.Gurgurewicz, M.Banaszkiewicz, M. Dobrowolski, M.Drogosz, R.Wawrzaszek, L.Wiśniewski, T. Kuciński, K.Skocki, B.Kędziora, A.Cichocki, T.Szewczyk, J.Krasowki, M.Ciesielska
 
W Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie powstał CHOMIK, unikatowy penetrator geologiczny przeznaczony dla misji kosmicznej Fobos-Grunt. Do najważniejszych celów misji należy dostarczenie na Ziemię próbki materiału z powierzchni Fobosa, satelity Marsa. Materiał zostanie pobrany za pomocą polskiego penetratora i umieszczony w pojemniku, a ten we wnętrzu rosyjskiej kapsuły powrotnej wyląduje w 2014 roku w Kazachstanie
 

Geneza misji

 
Mars posiada dwa księżyce. Oba zostały odkryte przez Asapha Halla w 1877 roku. Jednak do dnia dzisiejszego nie jest pewne w jaki sposób te dwa obiekty stały się księżycami Marsa. Pierwsza hipoteza mówi o przechwyceniu przez Marsa dwóch planetoid na co wskazuje bardzo niskie albedo księżyców, charakterystyczne dla planetoid typu C oraz niska gęstość, charakterystyczna dla planetoid typu C i D. Tego typu obiekty stanowią około 75% populacji pasa głównego planetoid, znajdującego się pomiędzy Marsem a Jowiszem, skąd mogły zostać przechwycone.

  Rys. Pas planetoid na tle planet wewnętrznych i Jowisza, źródło: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e2/Rodzina_Hildy.PNG

Jednakże nie ma jednoznacznego wyjaśnienia mechanizmu przechwycenia tych obiektów. Kolejna hipoteza sugeruje uformowanie księżyców poprzez łączenie się drobin materii krążącej wokół Marsa będącej pozostałością po większej ilości materii z której powstał Mars. Inna hipoteza mówi iż w pewnym okresie Mars był otoczony wieloma obiektami takimi jak Fobos i Deimos, co było efektem uderzenia odpowiednio dużego obiektu o powierzchnię Marsa. Dwie powyższe hipotezy potwierdzają obserwacje księżyców w podczerwieni, sugerując iż składają się one głównie z Fyllokrzemianów, dobrze znanych z powierzchni Marsa. Aby dowiedzieć się jaka jest prawdziwa historia zagadkowych księżyców Marsa, federalna agencja kosmiczna Roskosmos zainicjowała misję o nazwie Fobos-Grunt, której celem będzie jeden z dwóch księżyców Marsa - Fobos.

Fobos, większy z dwóch marsjańskich księżyców, jest drobną, nieregularną bryłą o rozmiarach 27×22×18 km i małej gęstości (1,9 g/cm3). Słaba grawitacja czyni go atrakcyjnym celem dla misji kosmicznych. Prędkość ucieczki jest zbliżona do prędkości sprintera i wynosi ok. 11 m/s, dzięki czemu manewry lądowania i startu są stosunkowo łatwe do przeprowadzenia. Dodatkowo Fobos krąży wokół Marsa w odległości zaledwie 9 400 km, aż 40 razy bliżej niż Księżyc względem Ziemi.

Rys. Zdjęcie Fobosa wykonane przez sondę Mars Reconnaissance Orbiter w 2008 r, źródło: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5c/Phobos_colour_2008.jpg

Misja Fobos-Grunt

Rys. Statek kosmiczny do realizacji misji Fobos-Grunt, źródło: http://www.russianspaceweb.com/phobos_grunt.html

Historia misji Fobos-Grunt sięga lat dziewięćdziesiątych. W 1996 roku opracowano koncepcję misji na Fobosa, w czasie której, próbki skał miały by być przesłane na Ziemię. Przez lata projekt pozostawał na papierze i dopiero w 2004 roku przyznano fundusze na jego realizację. Misja Fobos-Grunt miała się rozpocząć w 2007 roku. Ostatecznie sonda wystartowała 9 listopada 2011 roku na pokładzie rakiety nośnej Zenit-2. W trakcie misji będą badane trzy obszary:

1. Fobos

     a. Badanie fizycznych i chemicznych własności regolitu oraz warstw podpowierzchniowych zarówno przez lądownik jak i w laboratoriach ziemskich.

    b. Badanie mechanizmów powstania księżyców Marsa.

    c. Poszukiwanie życia lub możliwych śladów życia.

    d. Badanie ruchu orbitalnego i własnego Fobosa.

2. Bliskie otoczenie Marsa

    a. Badanie otoczenia Marsa (pył, gaz, plazma).

3. Obserwacja globalnej dynamiki atmosfery i powierzchni Marsa.

    a. Obserwacja dynamiki marsjańskiej atmosfery oraz sezonowych zmian klimatu.

Dodatkowo przez rok na marsjańskiej orbicie będzie znajdował się chiński satelita YingHuo-1, który zostanie wyniesiony razem z sondą Fobos-Grunt. Zadaniem chińskiego orbitera będzie pomiar interakcji wiatru słonecznego z Marsem.

CHOMIK

Rys. Instrument CHOMIK

Jeden z ważniejszych celów misji polega na pobraniu próbki materiału z powierzchni Fobosa. Pierwotnie miał on być zrealizowany przy pomocy urządzeń zdzierających warstwę wierzchnią o strukturze piasku. Ze względu na brak informacji dotyczących struktury powierzchni Fobosa należy brać pod uwagę możliwość wystąpienia, w miejscu lądowania, twardego podłoża. Słaba siła przyciągania występująca na Fobosie ogranicza zakres siły dociskania urządzenia do powierzchni bez groźby wywrócenia całego lądownika. W takiej sytuacji istotny cel misji nie zostałby zrealizowany. Potrzebne było urządzenie zdolne kruszyć twarde podłoże, bez przenoszenia niepożądanych sił na lądownik. Dodatkowo urządzenie powinno pobierać mało energii, być lekkie i gotowe do integracji przed startem w roku 2011.

Zadanie jakie należało wykonać oraz trudności z nim związane w dużym stopniu pokrywają się z misją Rosetta. Jest to misja Europejskiej Agencji Kosmicznej do komety 67P/Churyumov-Gerasimenko. W przypadku Rosetty nie planuje się pobrać próbek, natomiast jednym z celów misji jest badanie własności mechanicznych materiału z którego zbudowana jest kometa. Instrument do realizacji badań własności mechanicznych komety, pozwalający wbić czujnik pod powierzchnię, został zaprojektowany w Centrum Badań Kosmicznych przez dr inż. Jerzego Grygorczuka. Urządzenie potocznie zwane kosmicznym młotkiem, formalnie występowało jako MUPUS (Multi-Purpose Sensor for Surface and Subsurface Science).

Wiedza na temat MUPUSa dotarła do osób odpowiedzialnych za misję Fobos-Grunt. Po obejrzeniu jak działa pokazowy model MUPUSa, nikt nie miał wątpliwości, że tego typu urządzenie powinno znaleźć się na misji Fobos-Grunt. Umowa na wykonanie instrumentu została podpisana w dniu 2 kwietnia 2010 roku. Mechanizm młotkowy oraz pozostałe elementy zostały przekonstruowane lub dodane aby dostosować instrument do nowej misji.

Mechanizm Młotkowy

Rys. Mechanizm młotkowy

Mechanizm młotkowy oparty jest o koncepcję wbijania w układzie trzech mas. Pierwszą masą jest obudowa oraz pręt, drugą masą jest młotek, trzecią masą jest przeciw masa. Młotek jest połączony sprężyście z przeciw masą, natomiast przeciw masa jest połączona sprężyście z prętem. Na początku działania wszystkie elementy są w pozycjach startowych. Młotek zostaje rozpędzony w kierunku pręta. W drugiej fazie młotek uderza w pręt co wywołuje zagłębienie końcówki pręta, skruszenie podłoża czy też nabicie materiału do kontenera zainstalowanego do końca pręta. W trzeciej fazie młotek odbity od pręta, porusza się w przeciwną stronę. W czwartej fazie, poruszający się do góry młotek, wywołuje przemieszczenie się przeciw masy. Ze względu na proporcje mas, przeciw masa wykonując niewielkie przemieszczenie przejmuje energię młotka, pozostałą po uderzeniu. Dzięki temu tłumiona jest rekcja urządzenia. W piątej fazie elementy sprężyste wymuszają powrót przeciw masy co wiąże się z kolejnym uderzeniem o pręt, tym razem przeciw masy. Jest to drugi moment w całym cyklu, który powoduje przekazanie energii na drugi koniec pręta. Po tym, wszystko wraca na swoje pozycje i urządzenie gromadzi energię elektryczną do kolejnego cyklu. Poniżej znajduje się rysunek pokazujący położenia mas w każdej fazie procesu co powinno ułatwić zrozumienie działania urządzenia.

Rys. Schemat działania mechanizmu młotkowego

Mechanizm zwalniający

Rys. Mechanizm zwalniający

Mechanizm zwalniający utrzymuje część penetratora w ustalonej pozycji w trakcie przechowywania instrumentu na ziemi, w czasie startu rakiety oraz całego lotu do Fobosa. Dopiero po przybyciu na docelowe miejsce misji Fobos- Grunt oraz przeniesieniu CHOMIKa, przy pomocy manipulatora nad wybrane miejsce skąd ma zostać pobrana próbka, mechanizm uwolni część penetratora. Podstawowym zadaniem tego mechanizmu jest ochrona części młotka przed urazami mechanicznymi oraz tymczasowe odebranie wszystkich stopni swobody, aby młotek nie przemieszczał się względem manipulatora. Zapewnia to bezpieczeństwo instrumentu oraz nieruchome położenie we wszystkich etapach misji, poprzedzających pobranie próbki. Zakumulowana energia w sprężynach mechanizmu dąży do jego otwarcia jednakże napotyka na opór dwóch elementów, które nie pozwalają wykonać ruchu wynikającego z konstrukcji mechanizmu. Elementy, które blokują mechanizm również mają elementy sprężyste dążące do tego aby przemieścić blokadę, ich działanie jest za to powstrzymywane przez nić dyneema, bardzo wytrzymałą na naprężenia. Tak naprawdę to ta nitka powstrzymuje całość przed otwarciem. Jednakże nitka jest poprowadzona w taki sposób, że nie tylko utrzymuje elementy blokujące w ustalonych pozycjach, po drodze opiera się o rezystory. Wystarczy więc załączyć odpowiedni obwód elektryczny co powoduje rozgrzanie oporników, te z kolei powodują przepalenie się nitki dyneema. W momencie przepalenia, mechanizm wykonuje swoją pracę uwalniając młotek.

Mechanizm separujący kontener z próbką

Rys. Mechanizm separujący wraz z kontenerem na próbkę

Kontener do którego będzie pobrana próbka, jest tytanowym wydrążonym wewnątrz, cylindrem. Krawędź pojemnika posiada ostre zakończenie, oraz regularne nacięcia, tworzące zęby. Aby przetransportować próbkę na Ziemię, należy oddzielić kontener z zawartością od reszty urządzenia. Jest to jeden z kluczowych momentów misji, w związku z tym, mechanizm separujący powinien być niezawodny. Dodatkowo, trakcie nabijania próbki do kontenera, mechanizm musi przenosić obciążenia towarzyszące uderzeniom mechanizmu młotkowego. Podobnie jak w mechanizmie zwalniającym, tutaj również znajduje się sprężyna przy pomocy, której mechanizm jest zdolny do wykonania ruchu oraz linka dyneema, która ten ruch powstrzymuje. Ruchoma część mechanizmu separującego porusza się na gwincie i zakończona jest dźwignią. Przepalenie linki dyneema powoduje rozprężenie sprężyny i co za tym idzie, obrót ruchomej części mechanizmu oraz ruch liniowy wynikający ze skoku gwintu. To z kolei powoduje rozłączenie kontenera od urządzenia.

Podzespoły elektroniczne oraz czujniki na pokładzie CHOMIKA

 

Rys. Obudowa z podzespołami elektronicznymi CHOMIKa

We wnętrzu obudowy, pełniącej również rolę interfejsu mechanicznego pomiędzy CHOMIKiem i manipulatorem, znajdują się podzespoły elektroniczne. To dzięki nim, polski instrument będzie komunikował się z komputerem pokładowym oraz magistralą zasilania lądownika. Impuls o rozpoczęciu pracy dla penetratora, zostanie poprzez te podzespoły, zamieniony na sekwencję działania poszczególnych mechanizmów. Ponad to na CHOMIKu znajdują się dwa sensory do badania powierzchni Fobosa, po tym jak próbka zostanie pobrana. Pierwszy czujnik, to czujnik temperatury powierzchni Fobosa, drugi, to czujnik przewodności cieplnej regolitu. Oba znajdują się na wysokości mechanizmu separującego a ich uruchomienie i wstępna obróbka danych również w chodzi w zakres kompetencji podzespołów elektronicznych CHOMIKA.

Podstawowe informacje na temat CHOMIKa

Pobór mocy 2W

Masa mechanizmu młotkowego 480g

Energia uderzenia 0,8J

Masa CHOMIKA 1400g

Wymiary 418x109x109 mm

Wymiary wnętrza kontenera na próbkę Ø14mm, l39mm

Urządzenie CHOMIK
Penetrator geologiczny CHOMIK (misja Fobos-Grunt)