?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry Share Flag Next Entry
MarCO для Марса
smoliarm
Вместе с лэндером InSight сейчас к Марсу подлетают два наноспутника - MarCO-A и MarCO-B.
Вот они во время подготовки к полёту:

Такой тип спутников называется Cube-sat, отсюда и их название - MarCO или "Mars Cube One".
А куб-саты так называются потому что из размеры кратны стандартному "кубику" 10х10х10 сантиметров. Такой кубик называется "1U" (один юнит),
а аппараты MarCO отностятся к 6U, их габариты равны примерно 10х20х30 см. Столь малые аппараты ещё ни разу не отправляли к другим планетам.
Что же такие малышки могут в межпланетном полёте, и какой от них может быть толк?
А вот какой:


Дело в том, что во время спуска на Марс (этот этап называют EDL - Entry, Descent, Landing) поддерживать связь непосредственно с Землёй очень сложно.
На таком колоссальном расстоянии нужна остро-направленная антенна, у которой большие габариты, её надо держать прицеленной на Землю - и всё это во время сложных манёвров, аэродинамических и тепловых перегрузок. В целом проблема получается сложной по категории "нерешаемая".
В то же время - непрерываемый поток телеметрии ЧЕРЕЗВЫЧАЙНО важен, в первую очередь - для анализа возможных ситуаций что-то-пошло-не-так.
Если свзь с лэндером прекращена с момента его отделения от орбитера (или с момента начала тормозного импульса - не важно), а потом, по истечению расчётного времени, лэндер просто не вышел на связь - у вас нет ровным счётом никакой информации. И о причнах аварии - вы можете только гадать. То есть, в таком варианте нарушен (и невыполним) главнейший конструкторский принцип: учиться на ошибках. Какой урок можно извлечь из аварии, если кроме "в этот раз не получилось" - никакой фактуры просто нет? А раз фактуры нет - урока тоже нет - примерно как со Скипарелли.

Так вот, два крохотных Марко задуманы и сделаны как раз для решения этой проблемы - они являются ретрансляторами.
Если лэндеру надо передавать телеметрию не прямо на Землю, а приёмнику на расстоянии сотен км (а хоть и тысячи) - направленная антенна  уже не нужна, и десять гигагерц - тоже. Вполне достаточно ненаправленной антенны UHF, которая компактна, и её можно убрать под радиопрозрачный обтекатель. "Глухой период" будет и здесь, во время выгорания теплового щита - но все остальное время ретранслятор может обеспечить надежную связь.

Как Марко это обеспечивают?
На первом снимке правый из аппаратов показан в развёрнутом (рабочем) виде: по бокам раскрыты солнечные панели, на верху та самая остронаправленная антенна с хитрым названием - "circularly polarized X-Band reflectarray" (красивый клетчатый узор - это как раз она). Антенна UHF нам видна частично, это металлическая рамка с треугольником - внизу "под брюхом". А на переднем торце можно разглядеть сопла CGT (cold gas thrusters), и если раскрыть снимок в полном разрешении - их можно пересчитать.
Как это работает? Система CGT ориентирует аппарат так, чтобы солнечные панели были освещены и, главное, обеспечивает прицеливание главной антенны на Землю - примерно. А точную фокусировку/прицеливание луча делает уже этот reflectarray.
Кроме того, на Марко имеется изрядный буфер памяти. Я подозреваю, что это сделано для возможности не только передавать поток телеметрии, но и его записывать - с тем, чтоб потом (при необходимости) продублировать трансляцию. И ещё у Марко есть пара небольших камер - для ориентации "по Марсу" (и, возможно, для фото-фиксации чего-то, что "пошло не так").

Вполне возможно, что такая практика - посылать межпланетный автомат - с "эскадрой поддержки" - в будущем станет распостранённой или даже стандартной практикой. Поскольку такие ретрансляторы действительно невелики - весят они всего 13.5 кг каждый. И стоимость программы MarCO - 18 млн (если я правильно понял - это оба спутника вместе с разработкой).

И напоследок - любопытная деталь от Джонатана МакДовела:
https://twitter.com/planet4589/status/1066955554021625857

"I just spotted that INSIGHT and MARCO-B pass only 2000 km from the Martian moon Phobos at 1910 and 1913 UTC. That's really close! (MARCO-A is a little further at 4300 km closest approach)."

- Оказывается, INSIGHT и MARCO-B прошли всего в 2000 км от Фобоса - по астрономическим меркам это очень близко.


Recent Posts from This Journal



  • 1
Вроде раньше стратегия была другая - посылать спутники Марса, которые обеспечивали бы те же функции, что и МарКО, но в более развёрнутом формате.

Спутник не всегда будет видеть посадку другого аппарата, так как может быть на другой стороне Марса в этот момент. Ну и спутник надо затормозить, вывести на орбиту. И тот же МРС весил пару тонн. А эти 13.5 кг. Запустить попутно пару тонн нельзя, а 300 кг запустить 30 кг ещё можно. В этом и смысл.

Она и сейчас такая - основной канал связи установлен через MRO. Кубсаты дополняют его, обеспечивая большее количество информации и ее оперативность.

>>Она и сейчас такая - основной канал связи установлен через MRO.
>>Кубсаты дополняют его, обеспечивая большее количество информации и ее оперативность.

Не совсем так - в первую очередь они дополняют его тем, что MRO делать в принципе не может.

MRO был и остаётся основным каналом ретрансляции - поскольку он на орбите вокруг Марса.
Марко на орбиту вокруг Марса не выходят, их основная миссия очень короткая - обеспечение связи во время EDL (entry, descent, landing). Это примерно 10-15 минут. Но в это время они делают то, чего MRO обеспечить не может, а именно:
1. "REAL TIME": непосредственная ретрансляция потока телеметрии у Марко, а MRO может ПРИНЯТЬ поток, записать его, и ретранслировать на Землю - ПОЗЖЕ.
2. "FULL VOLUME": объём телеметрии через MRO ограничен размером его буфера; Марко этого ограничения не имеют.
3. "NO BLIND ZONE": поскольку MRO на СВОЕЙ орбите - то в каждый конкретный период он "видит" только часть поверхности Марса, только её он иожет "обслуживать". Марко же подходят к Марсу в строю со своим "клиентом", и потому район его EDL всегда и заведомо - у них "на виду".

Интересно, спасибо.

Вот еще с перелетной ступенью (Cruise stage) непонятно. Можно ли было использовать ее как ретранслятор? Или она тоже падала на планету?

И еще один вопрос. Посмотрел видео из предыдущего поста. Не понял, почему на орбите MRO показано три отметки (North, Middle, South). Он же там один летает?


>>Не понял, почему на орбите MRO показано три отметки (North, Middle, South). Он же там один летает?
- MRO там один :)
Это симуляция, иллюстрирующая варианты связи при посадке.
Сокращение LOS = "Line Of Sight", и если статус "LOS: Blocked" - то связи нет, спутник скрыт горизонтом.
Соответственно, моё предположение про отметки MRO-North, MRO-Middle, MRO-South - это статусы "Line Of Sight" для посадки в разных районах посадочного элипса.

>>с перелетной ступенью (Cruise stage) непонятно. Можно ли было использовать ее как ретранслятор? Или она тоже падала на планету?
- да и да.

В смысле - да, она тоже падала на Марс (и сгорала) (по-моему - я специально сейчас не проверял)
И - да, в принципе можно использовать Cruise stage как ретранслятор телеметрии, и так уже делали раньше.
У этого варианта есть свои минусы:
Cruise stage довольно большая, как минимум на порядок больше малышек типа Марко. И маневрировать ею - надо много топлива.
Если Cruise stage доставила лэндер на траекторию входа в атмосферу - так после разделения она и сама окажется там же - только у неё нет теплового щита. Значит, чтоб не сгореть ей нужен энергичный манёвр. Лишнее топливо, лишняя сложность.
Кроме того, даже после этого манёвра она будет практически на той же линии (в масштабе этого рисунка), что и лэндер - и быстро его обгонит. И довольно быстро уйдёт за горизонт.
Но всё равно - раньше так и делали - не было других вариантов. Теперь миниатюризация и бурный всплеск нано-спутников сделали возможным этот вариант - и его попробовали. Если результат понравится НАСА - будут и дальше делать такие Марко. Посмотрим :)

> И маневрировать ею - надо много топлива.
> И довольно быстро уйдёт за горизонт.
А если выполнять разделение сильно заранее? Скажем, за неделю - и сразу после этого немного тормознуть ступень. Скинуть ей 10 м/с, немного вроде по затратам топлива - и за неделю она отстанет уже на 6000 км. Скидывать, естественно - так, чтобы она во время посадки шла там где надо.

>>А если выполнять разделение сильно заранее? Скажем, за неделю
- можно, но тогда пропадает собственно СМЫСЛ Cruise Stage.
Он заключается в том, чтобы освободить лэндер от всего (буквально и категорически - от ВСЕГО), что не нужно во время спуска и после спуска.
И он пропадает - потому что в вашем варианте на "лэндере" необходима ещё одна "мини-Cruise Stage" - для финального прицеливания на выбранный район посадки - непосредственно перед входом в атмосферу. "За неделю" до входа - такой точности не добиться. А даже в мини-варианте - это целая куча устройств.
Поэтому они пошли другим (но похожим) путём: они сделали миниатюрные ретрансляторы - и выполнили разделение с ними - ЗАРАНЕЕ.

Солнечные батареи у аппарата сложены, так что неделю бы он не протянул на аккумуляторах. Поэтому и разделяют с таким расчётом, что бы аппарат гарантированно смог развернуть панели. При том что он ещё и не сразу это делал, а ждал пока осядет пыль.

С перелётной ступенью проблема в том, что аппарат тормозится а она летит как летела - и оказывается сильно впереди.
Вот как с Марсом-3 вышло - при посадке ретранслировали, даже тот кусочек кадра прежде чем ступень ушла за горизонт успел передать - а на штатный сеанс связи уже не вышел, и что там у него поломалось - так и осталось неизвестным.
А тут разделение при отлёте от Земли и нужное время пролёта подобрать не проблема.

Солнечные панели настолько хрупкие, что их разворачивают на отдельные подставки?
Впрочем, в невесомости это неважно.

Да, они сконструированы для невесомости, и потому очень легкие.

Скорей даже не сами панели, а узел которым они к аппарату крепятся "не умеет" держать такую нагрузку

И модуль посадили и два микроспутника работают (во что я совсем мало верил) и уже данные получены - это просто фантастика наяву.

Любо-дорого было посмотреть, как они там скакали и обнимались - когда пришло подтверждение посадки :))

Второй чисто для резервирования? Или каждый из них отдельную функцию выполняют?
По поводу ФАР. Я считал что это очень дорогое и сложное устройство, а тут в кубсате! И антенна в виде пленочки! Как так?

>>Второй чисто для резервирования?
- почти так.
>>Или каждый из них отдельную функцию выполняют?
- насколько я знаю, они идентичны, и основная функция у них точно одинакова.
Как я понял, идея именно двух ретрансляторов обоснована - помимо простого дублирования - ещё и "полётом в строю". Они (вроде бы) летели так - первый Марко неподалёку от InSight, второй - немного позади. При входе в атмосферу InSight тормозится, и расстояние между ним и первым Марко растёт. Потом второй Марко догоняет и проходит прямо над местом, где заходит на посадку InSight. То есть, идея в том, чтобы в критичные периоды EDL - один ретранслятор был поблизости.

>>Я считал что это очень дорогое и сложное устройство
- у меня такое же представление :) Это безусловно хайтек. Но может быть сейчас уже и не такой уж дорогой.

>>а тут в кубсате!
- вроде бы это не первый куб-сат с ФР.

>>И антенна в виде пленочки! Как так?
- Научились :)
Больше добавить мне, увы, нечего - мегагерцовая связь и фазированные решётки - это не моё :)

Я думаю, наклонная пластинка "на теле" спутника - это излучатель, а пластина в клеточку - хитрый отражатель, котораый благодаря системе резонаторов формирует диаграмму направленности антенной системы. Этакий аналог "тарелки", но плоский.
И мне кажется, такую систему нельзя назвать "фазированной антенной решеткой" (по крайней мере по определениям из советских учебников), т.к. ФАР предполагает индиаидуальное управление сдвигом фазы сигналов, подаваемых на каждый излучатель (антенну) или на группу излучателей (антенн).

Да, наверное так.
Я сейчас посмотрел по abstracts - сами авторы называют эту антенну
"circularly polarized X-Band deployable reflectarray"

А на сайте JPL, на страничке про Марко пишут про эту антенну так:
"The high-gain, X-band antenna is a flat panel engineered to direct radio waves the way a parabolic dish antenna does."

Довольно подробное описание Марко и его радио системы дано здесь
https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/m/marco
и тут тоже эту антенну называют - "high-gain reflectarray antenna"

Так что вы правы, а я сейчас текст поста отредактирую.

Нарыл PDF об этой антенне

Со страницы 42 ("REFLECTARRAY RADIO-FREQUENCY DESIGN")

Получается они расставили "патчи" специальным образом, чтоб "мимикрировать" под параболическую антенну. (какая-то формула с фазами там дана). То есть что то похожее (приближенно по смыслу) на "зонную пластинку Френеля" и на фазированную решетку отражательного типа. Рассчитывается методом т.н. "ячейки Флоке".

Что-то похоже на русском языке (есть фотография макета):
Е.А. Литинская, С.В. Поленга, Ю.П. Саломатов "Разработка и исследование отражательной антенной решетки для сетей дуплексной спутниковой связи" (pdf)


О, спасибо большое!

И теперь понятно, как это называть по-русски :)

ФАР. Я считал что это очень дорогое и сложное устройств

Кстати, по поводу дороговизны ФАР - её стоимость в значительной степени определяется точностью изготовления массива излучателей. Несколько тысяч фигурных прорезей в металлической пластине площадью около квадратного метра фрезеруются с микронными допусками - это, например, ФАР радара. И чем выше частота (короче длинна волны), тем жестче требования к точности изготовления ФАР.

А вот отражатели в MarCO сделаны, скорее всего, по технологии, схожей с технологией изготовления печатных плат - то есть нанесение на фольгированый диэлектрик маски и химическое травление медной фольги. Высокая точность изготовления маски тут тоже требуется, но добиться её гораздо проще.
И на порядки дешевле :)

> стоимость программы MarCO - 18 млн (если я правильно понял - это оба спутника вместе с разработкой)

Интересно было бы узнать из чего такой ценник складывается. В открытом доступе наверное такой информации нет?

По ихним расценкам - работа полусотни человек в течении года, примерно. Плюс закупка материалов и т.д.

>>В открытом доступе наверное такой информации нет?
- почему же нет? - как не быть.
НАСА обязана отчитываться перед соответствующими комиссиями Сената, кроме того, существует ещё GAO - их отчёты тоже публичнае по определению.

Другое дело, что на этих сайтах надо уметь ориентироваться, и надо знать *язык* - то есть, требуется некоторое бухгалтерское образование.

В целом же - вся миссия InSight имеет бюджет поряка 800 млн, что по меркам НАСА - немного. Этот проект - из категории недорогих.

  • 1