Badania kosmiczne w Polsce: Misja Rosetta Marek Banaszkiewicz Centrum Badań Kosmicznych PAN 16/03/20091.

Prezentacja na temat: "Badania kosmiczne w Polsce: Misja Rosetta Marek Banaszkiewicz Centrum Badań Kosmicznych PAN 16/03/20091."— Zapis prezentacji:

1 Badania kosmiczne w Polsce: Misja Rosetta Marek Banaszkiewicz Centrum Badań Kosmicznych PAN 16/03/20091

2 Co się bada? Wszechświat => astrofizyczne misje kosmiczne z udziałem polskich zespołów naukowo-inzynierskich: Integral, Herschel, IBEX, BRITE, Juice Układ Słoneczny (Słońce, Księżyc, planety, komety asteroidy, przestrzeń międzyplanetarna) => misje Vega, Cassini-Huygens, Mars Express, Rosetta, Bepi Colombo, Solar Orbiter) Ziemię i jej otoczenie (jonosfera, magnetosfera) => misje Apex, Koronas, Cluster, Demeter, Taranis, Rezonans, ENVISAT, SMOS Procesy fizyczne w warunkach kosmicznych – MSK Nowe technologie satelitarne i kosmiczne Człowieka w kosmosie => medycyna kosmiczna 18/05/20132

3 Kto bada? Uczelnie: PW, PWr, WAT, AGH, PRz, UAM, UMK, UWM, UW,... Instytuty badawcze: Ilot, PIAP, IGiK, ILM, PIG, IUNG, ITWL, WIML, IMGW, … Instytuty PAN: CBK, CAMK, CFT, ITTP, IO, ING, IFJ, … W sumie ponad 70 grup badawczych: CBK (120 osób), PW (50 osób), CAMK, IGiK, Ilot, WAT (25 osób), w sumie około 400-500 osób 18/05/20133

4 Rola sektora badawczego Badawcza => udział w misjach kosmicznych i interpretacja danych z misji Inicjująca => ESA i wiele agencji narodowych powstało w wyniku działań środowisk naukowych Rozwojowa => technologie kosmiczne są w dużej mierze rozwijane w instytutach i uczelniach PR => osiągnięcia sektora kosmicznego są przez obywateli postrzegane jako wynik misji naukowych Edukacyjna => kształcenie nowych generacji naukowców i inżynierów 18/05/20134

5 Związki nauka-przemysł-użytkownicy NaukaPrzemysłUżytkownicy 18/05/20135 Nowe technologie Instrumenty i platformy Analiza misji Produkty, usługi Walidacja Definicja nowych produktów Rozpowszechnianie wyników

6 Rozwój sektora badawczego w Polsce Udział w przyszłych misjach kosmicznych ESA: Juice, LOFT, EChO, inne Wiodąca rola w 2-3 dziedzinach badań i konstrukcji instrumentów za 10 lat Integracja sektora aplikacji (40 ośrodków wykorzystujących teledetekcję satelirtarną w Polsce) Ścisła współpraca z przemysłem Harmonizacja udziału w ESA i peogramu narodowego 18/05/20136

7 Przykład: CBK 70+ instrumentów lotnych Udział w najważniejszych misjach ESA Dobry balans pomiędzy nauką, technologią i zastosowaniami Ekspertyza w procedurach i standardach ESA Przemysłowy charakter wielu projektów 16/03/2009

8 Krajobraz polskiego sektora kosmicznego (>150 rejestracji w EMITS) Sektor badawczy (~30 podmiotów) –Uczelnie: PW, PWr, WAT, AGH, PRz, UAM, UMK, UWM, UW,... –Instytuty badawcze: Ilot, PIAP, IGiK, ILM, PIG, IUNG, ITWL, WIML, IMGW, … –Instytuty PAN: CBK, CAMK, CFT, ITTP, IO, ING, IFJ, … Sektor przemysłowy (~20+ podmiotów) –Duży narodowy: BUMAR, WB Electronics, Hertz, Asseco+ dolina lotnicza –Duży ponadnarodowy: Astri Polska, GMV, Sener, Avio Polska, –Średni i mały: Cryotech, Geosystems, SmallGIS, Wasat, ITTI, PikTime, Radiotechnika, KosmonautaNet, KEN Bit + wiele firm nowopowstałych 16/03/2009

9 Oczekiwania i strategie Przemysł –Profit –Długoterminowa stabilność zleceń –Bufor w postaci aktywności pozakosmicznej Sektor badawczy –Udział w misjach kosmicznych –Dostęp do danych –Komercjalizacja badań => samofinansowanie Administracja –Odzyskanie składki do ESA i UE (programy ramowe) –Wsparcie innowacyjności –Dobrej pozycji sektora na rynku 16/03/20099

10 Źródła finansowania ESA – 30+ mln € rocznie KE – Polski udział w Galileo, Copernicus, H2020, 3% od 10 bln € => 300 mln € w ciągu 7 lat => ~40 mln € rocznie Narodowe (NCBIR, NCN, programy specjalne) => szacunkowo 250 mln € do 2020 => ~35 mln € rocznie Fundusze regionalne (Mazowsze, Podkarpacie, Małopolska,..) ??? Razem > 110 mln € (być może 130-150 mln €) 16/03/2009

11 Kryteria wyboru obszarów interwencji Tam gdzie jesteśmy dobrzy: nauka, konstrukcja instrumentów, podsystemy satelitarne, przetwarzanie danych (GNSS, Obs. Ziemi) Tam gdzie wspiera to politykę państwa: zarządzanie kryzysowe, bezpieczeństwo, serwisy i produkty Galileo i Copernicusa Tam gdzie konkurencja w ESA jest rozsądna: nowe technologie, nowe serwisy w obszarze zastosowań, współpraca z Prime Contractors 16/03/2009

12 Jak? Klucz: organizacja współpracy i konkurencji wśród polskich instytucji/podmiotów Wykorzystanie dotychczasowego dorobku => transfer wiedzy nauka –> przemysł Otwarcie na wszystkie obszary aktywności kosmicznej przy zachowaniu ostrożności w inwestowaniu Budowanie programu narodowego przy wykorzystaniu istniejących instrumentów finansowych (np. programy strategiczne NCBiR) Inwestycje w infrastrukturę (laboratoria i warsztaty) i ludzi (inżynieria kosmiczna i satelitarna) 16/03/2009

13

14 Dlaczego badamy komety Jądra komet to planetezymale utworzone we wczesnym stadium powstawania układu słonecznego Wnętrza komet zawierają (zapewne) pierwotną materię sprzed 4.5 mld lat Zewnętrzny dysk planetarny odegrał istotna rolę w dynamice planet Uderzenia komet kształtowały powierzchnie planet wewnętrznych Bogate w substancje organiczne komet być może przyczyniły się do powstania życia na Ziemi? 16/03/200914

15 Komety - dynamika Niezaburzone komety poruszają się po orbitach eliptycznych Rodziny komet: –Outer Oort cloud: a > 15000 j.a –Inner Oort cloud: 2000 < a < 15000 j.a –Outer disk: 50 < a < 2000 j.a. –Kuiper belt: 35 < a < 50 j.a. –New comets: 1/a < 200x10 -6 j.a. -1 –Long-period comets: P>200 yr –Short-period comets: P<200 yr Halley-type comets Jupiter-family comets Perturbacja: bliskie gwiazdy, pływy galactyczne, planety, sublimacja 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje15

16 Komety - morfologia Jadra komet są mieszaniną lodu, ziaren pyłu i substancji organicznych Gdy kometa zbliża się do Słońca lód sublimuje i unosi ze sobą ziarna pyłu Aktywność komet jest silnie niejednorodna na powierzchni 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje16

17 Misje do komet NASA mission to comet Giacobini-Zinner (1985) Missions to P/Halley (1986) – Giotto (ESA), Vega 1&2 (Soviet), Suisei (J) Stardust: Wildt-2 (2004), Tempel-1 (2011) Deep Space 1: Borelly (2001) Deep Impact : Tempel-1 (2005) and Hartley-2 (2010) 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje17

18 Misja ESA Rosetta Cel: kometa okresowa Tchurumov- Gerasimenko Przygotowania: 1995-2003 Start: 2 marzec, 2004; spotkanie z kometą: 2014 Dwa obiekty: statek Rosetta & ladownik Philae Skomplikowana trajektoria: 4 manewry w pobliżu planet, 2 spotkania z asteroidami Masa: Rosetta – 3000 kg (100 kg instrumenty), Philae – 100 kg (20 kg instrum.) Koszt: 1 mld € 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje18

19 Scenariusz misji 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje19

20 Rosetta – cele badawcze Characteryzacja jądra komety: procesy fizyczne, morfologia, structura Określenie składu chemicznego, włączajac enancjomery Studium aktywności kometarnej i jej zmian w czasie Badanie asteroidów 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje20

21 Rosetta – statek orbitalny 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje21 Główny statek, orbiter, ma wymiary d 2.8 x 2.1 x 2.0 metrów; są na nim zamontowane podsystemy i instrumenty. Dwa 14-metrowe panele słoneczne mają całkowitą powierzchnię 64 metrów kwadratowych. Po jednej stronie orbitera umieszczona jest 2.2-metrowa antena komunikacyjna – sterowana antena wysokiego zysku. Lądownik przymocowany jest po przeciwnej stronie.

22 Rosetta – instrumenty orbitera 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje22 The Rosetta orbiter has eleven scientific instruments: ALICE Ultraviolet Imaging Spectrometer CONSERT Comet Nucleus Sounding COSIMA Cometary Secondary Ion Mass Analyser GIADA Grain Impact Analyser and Dust Accumulator MIDAS Micro-Imaging Analysis System MIRO Microwave Instrument for the Rosetta Orbiter OSIRIS Rosetta Orbiter Imaging System ROSINA Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis RPC Rosetta Plasma Consortium RSI Radio Science Investigation VIRTIS Visible and Infrared Mapping Spectrometer

23 Rozmieszczenie instrumentów 16/03/2009

24 Rosetta - trajektoria 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje24

25 Lądownik Philae Cel: badanie powierzchni i warstw podpowierzchniowych jadra komety Główne wyzwanie technologiczne – odbicie przy ladowaniu Czas pracy (nominalny): 5 days Zasilanie: panele słoneczne + baterie 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje25

26 Philae - instrumenty 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje26 The Rosetta lander has nine scientific instruments:- APXS Alpha Proton X-ray Spectrometer ÇIVA / ROLIS Rosetta Lander Imaging System CONSERT Comet Nucleus Sounding COSAC Cometary Sampling and Composition experiment MODULUS PTOLEMY Evolved Gas Analyser MUPUS Multi-Purpose Sensor for Surface and Subsurface Science ROMAP RoLand Magnetometer and Plasma Monitor SD2 Sample and Distribution Device SESAME Surface Electrical and Acoustic Monitoring Experiment, Dust Impact Monitor

27 Rozmieszczenie instrumentów 16/03/2009

28 MUPUS – the team (D, PL, A, UK, USA, F) 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje28 The MUPUS Team: Prof. T. Spohn, IfP, PI Dr. K. Seiferlin, IfP, Project Manager, Co-I, science Prof. T. J. Ahrens, CIT, science support Dr. A. J. Ball, IfP, Co-I, science Dr. J. Benkhoff, DLR-BA, science Dr. M. Banaszkiewiecz, SRC, Co-I, Technical Manager, flight software and science S. Gadomski, SRC, Electronics engineer J. Grygorczuk, SRC, Mechanical engineer Dr. W. Gregorczuk, sensor manufacturing Dr. A. Hagermann, science support Dr. M. Hlond, SRC, EGSE and flight software Dr. W.-H. Ip, MPAe, science support Prof. C. Jaupart, IPGP, science support Dr. G. Kargl, IWF, Technical Manager ANC-M, ANC-T, AIV, science T. Keller, IWF, IfP, science support Dr. J. Knollenberg, DLR-BA, Technical Manager TM, science Dr. N. I. Kömle, IWF, Co-I ANC-M, ANC-T, science Dr. K. Kossacki, UW, science support J. Krasowski, SRC, electronics Dr. E. Kührt, DLR-BA, Co-I TM, science support M. R. Leese, UKC, science support Prof. J. Leliwa-Kopystynski, UW, science support Dr. I. Mann, CIT, MPAe, science support Dr. W. Marczewski, SRC, sensor development, EMC, tests Dr. T. Morgan, SWRI, science support Dr. J. C. Zarnecki, UKC, Co-I, science support

29 MUPUS – rzut oka 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje29 Kilka instrumentów rozmieszczonych na lądowniku Główny cel: pomiary profilu temperatury i przewodnictwa cieplnego jadra Główny instrument: samowbijający się penetrator wysuniety przy pomocy specjalnego systemu Główny wkład techniczny do MUPUSu dało CBK – jako podkontraktor DLR

30 MUPUS – położenie 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje30

31 Jak tworzy się instrumenty kosmiczne Wymagania –Naukowe: co badamy, jakich sensorów uzywamy –Techniczne: jak zbudować sensory w ramach przyznanego budzetu Zaprojetkowanie i zbudowanie prototypu Model structuralny i termiczny Poprawianie projektu, rozwój technologii Model inzynieryjny Testy Model lotny i zapasowy Testy (umiarkowane) 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje31

32 Penetrator 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje32 Hammer: Dim:  70x120 mm Weigh: 300 g Sensor tube:  10x400 mm Hammer: Dim:  70x120 mm Weigh: 300 g Sensor tube:  10x400 mm Prototype of the penetrator with the hammering device

33 Penetrator – hammering mechanism 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje33 DRIVE: electromagnetic, a capacitor discharging by a coil POWER: consumption - 1.5 W / output peak 2 kW VALUES: C=24  F/600V hammer energy – 1J Hammer speed – 9 m/s DRIVE: electromagnetic, a capacitor discharging by a coil POWER: consumption - 1.5 W / output peak 2 kW VALUES: C=24  F/600V hammer energy – 1J Hammer speed – 9 m/s

34 Penetrator – principle of operation 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje34

35 Hammering action 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje35 INITIAL FORCE 1N energy stored in a capacitor (4J), EM drive (~1J), penetration force equivalent to 500N of static force

36 Penetrator - development 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje36

37 Deployment A pair of tubular booms => stable against torsion only in microgravity Stored on spools Powered by a stepper motor Lenght of deployment controled by an encoder that counts the number of turns 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje37 Weight: 1.5 kg Over 200 constructed parts Weight: 1.5 kg Over 200 constructed parts

38 Extension mechanism 28/09/2013MMAR, Międzyzdroje38 Transport penetrator from the lander to the cometary soil Unwind two tubular, C-shaped booms made of stainless steel (Ukraine) Distance: 1 m Speed: 0.25 m/s Stepper motor: Escape P430 redesigned Transport penetrator from the lander to the cometary soil Unwind two tubular, C-shaped booms made of stainless steel (Ukraine) Distance: 1 m Speed: 0.25 m/s Stepper motor: Escape P430 redesigned

39 16/03/200939

40 16/03/2009