Tízszeres élettartam
(Rovat: Űridőjárás, Kontinensünk űrtörténelme - 2020.05.20 07:15.)

Az ESA tetraéder alakú formációban repülő Cluster műholdjai hamarosan működésük harmadik, egyben utolsó évtizedébe lépnek.

Ebből az alkalomból készített a The Register portál összeállítást arról, milyen technikai megoldások tették lehetővé az eredetileg két évre tervezett küldetés jelentős meghosszabbítását.

A küldetés indulása sem volt zökkenőmentes, sőt első nekifutásra teljes kudarcba fulladt. A Föld magnetoszféráját három dimenzióban, folyamatosan egy tetraéder csúcsaiban tartott négy műhold összehangolt méréseivel vizsgáló küldetés gondolata 1982-ben merült fel. Az ESA jóváhagyása után a műholdak 1996-ra készültek el. Kedvező (ingyenes) lehetőség kínálkozott az indításukra a vadonatúj Ariane–5 hordozórakéta első startjával. Az 1996. június 4-én magasba emelkedő rakéta azonban szoftverhibák sorozata miatt letért az emelkedési pályájáról, az aerodinamikai terhelés károsítani kezdte a rakéta szerkezetét, ezért az automatikus önmegsemmisítő rendszer felrobbantotta a rakétát, így a négy Cluster műhold is megsemmisült.

Megszületett a döntés az elveszett műholdak pótlásáról (Cluster–II), amelyeket 2000. július 16-án, illetve augusztus 9-én két párban, Bajkonurból Szojuz-Fregat hordozórakétákkal állították pályára. A négy műhold a Rumba, Salsa, Samba és Tango nevet kapta. A műholdak induló tömege (egyenként) 1200 kg volt, ebből 650 kg üzemanyag, a 11 tudományos műszer jelentette hasznos teher pedig 71 kg. A korong alakú holdak átmérője 2,9 méter, magassága 1,3 méter. A küldetést eredetileg két évre tervezték, jóllehet az egyes műholdak névleges élettartamát négy-öt évre várták. Energiaellátásukat a henger palástját borító napelemek biztosítják, akkumulátoraik lehetővé tették, hogy a Föld árnyékában is folytassák a méréseket. A műholdakat erősen elnyúlt, körülbelül 16 ezer és 116 ezer km közti magasságú pályára állították. A műholdak közötti távolságot (a tetraéder éleinek hosszát) 4000 és 10 000 km között lehetett változtatni.

A korong alakú Cluster műholdak palástján helyezkednek el a napelemek, a négy műhold állandó alakú, de változtatható méretű konfigurációban kering a Föld körül. (Kép: ESA)

A küldetés tervezésekor annak időtartamát az akkumulátorok várható élettartama korlátozta két évre, bár arra számítottak, hogy kíméletes használatukkal élettartamuk öt évre is meghosszabbítható. Kihívást jelentett az akkumulátorok működtetésével járó elektromágneses zaj minimálisra csökkentése, amit az érzékeny mágneses mérések követeltek meg. Öt év elteltével az akkumulátorok burkolata kezdett megrepedezni, a folyadék pedig elszivárogni, amit a műholdak viselkedésében és pályáiban bekövetkező apró változások is jeleztek. Először csökkentették az árnyékban repülő műholdak energiafelhasználását, majd a rádió kivételével mindent kikapcsoltak, köztük a fűtőrendszert is, amely árnyékba lépés előtt előfűtötte a műholdakat. Ennek kiesése viszont további problémákat okozott. A működés tizedik évére azonban annyira romlott a helyzet, hogy a nagyobb bajok megelőzése érdekében kénytelenek voltak az akkumulátorokat kisütni és használatukat véglegesen beszüntetni. Ettől kezdve az árnyékból kilépés után a műholdakat mindig újra kell indítani. Kezdetben a működés helyreállása spontán módon történt, ami bizonytalan állapotot eredményezett. Később az irányítók megtalálták a módját, hogy irányítottan indítsák újra az árnyékból kilépő műholdakat. A munkaigényes műveletet manuálisan kellett elvégezni, a pályától függően sűrűbben vagy ritkábban, de előfordult olyan helyzet, amikor másodnaponként kellett újraindítani a műholdakat, ami műholdanként több órát vett igénybe. Végül sikerült a folyamatot automatizálni, és 40 percre lerövidíteni a folyamatot. Mostanáig már 1000-nél több fogyatkozáson vannak túl, és a rendszer megfelelően működik.

2011-ben más veszély is fenyegette a rendszert. Kiderült, hogy a Samba műholdon a műszerek felét nem tudják bekapcsolni. Az öt műszer egyike az elektromos és mágneses teret mérő WEC (Wave Experiment Consortium) volt, amelynek elvesztése érzékenyen érintette volna a négy műhold szinkronban végzett méréseit. Felderítették a hiba okát, és rájöttek, hogy ha az elsődleges áramellátó rendszerrel párhuzamosan a tartalék rendszert is igénybe veszik, akkor kiküszöbölhető a túlterhelésből adódó hiba. Végül így sikerült a problémát megoldani, így attól kezdve a Samba újra rendben működött.

A Cluster műholdak egymástól mért távolsága a küldetés során. (Kép: ESA)

A kezdetben magukkal vitt üzemanyag legnagyobb részét a műholdaknak ahhoz kellett felhasználni, hogy elérjék a magas és elnyúlt ellipszispályáikat. Az első öt évben sok üzemanyagot fogyasztott az is, hogy drasztikusan változtatták a műholdak pályáit (a tetraéder méretét). A névleges, öt évre kiterjesztett működési időt elérve, és látva, hogy a műholdak működőképesek, rájöttek, hogy takarékoskodni kell az üzemanyaggal. A maradékot beosztották a 2005–2008 közötti évekre, és csak kisebb pályamódosításokat végeztek, így elérték, hogy évente csak 100–300 gramm üzemanyagot kelljen felhasználni. A küldetés irányítóinak becslése szerint mostanra mintegy 6 kg üzemanyag maradhatott a holdakon, de becslésük pontossága csak 3 kg, vagyis csak annyit állítanak, hogy 3–9 kg üzemanyag lehet az egyes műholdak fedélzetén. Ez elég ahhoz, hogy a műholdakat alacsonyabb pályára állítsák, ahonnan természetes úton lezuhannak. A Cluster küldetés 2024–26-ban ér véget, amikor a légköri fékeződés miatt a négy műhold belép a sűrű légrétegekbe és ott megsemmisül.

15 év elteltével a küldetés irányítói „találtak” egy kamerát a Cluster műholdakon. Ezek eredetileg azért kerültek a fedélzetre, hogy a műholdaknak a hordozórakétától és egymástól történő szétválását figyelemmel lehessen kísérni. A start után az egyik működött, a másik nem, majd megfeledkeztek róluk. Amikor újra „rátaláltak”, felélesztették, és kiszámították, hogy van a pályán olyan helyzet, amikor a kamera látóterébe kerül a Föld. Ezt kihasználva sikerült felvételeket készíteniük, amelyek természetesen csak PR-célokra voltak alkalmasak, tudományos célra nem.

A műszaki bravúrok mellett természetesen a küldetés tudományos eredményeiről is érdemes megemlékezni. Fontos eredmény, hogy a Föld körüli térségben csaknem két teljes naptevékenységi cikluson keresztül sikerült méréseket végezni. A rendszer hosszúra nyúlt élettartama azt is lehetővé tette, hogy mérései átfedésben legyenek az újabb űreszközök eredményeivel, így az adatsorok egymáshoz illeszthetők. A kutatók most a 2023–2025 évekre készítenek mérési terveket.