A James Webb űrtávcső útja a felbocsátástól az első képig - 1. rész

Szabó Bence | 2021. december 22., szerda 19:03

Csodás égszinkék égbolt, kellemes 27 fok és egy frissítő szellő, már-már tökéletes körülmények ahhoz, hogy hátradőljünk Francia Guyana tengerpartjain, és élvezzük a nyárias napsütést - mindeközben pár kilométerrel arrébb a világ egyik legnagyobb teherkapacitású nehézrakétáját készítik fel a Föld minden tájáról odaérkezett mérnökök, hogy az emberiség történelmének legnagyobb és legmodernebb csillagászati berendezését, a James Webb űrteleszkópot útjára indítsa. A legek küldetésének nevezett misszióra már évtizedek óta készülnek, és tízmilliárd dollárnyi befektetés után elérkezett a várva-várt nap, amikor egy többszáz tonnás, robbanékony üzemanyaggal megtöltött monstrumon végleg elhagyja Földünket, és megkezdi kozmikus útját. Mai cikkünkben részletesen végigvezetünk benneteket, a felkészítés, pályára állítás, és a távcső üzembehelyezésének végtelenül izgalmas és egyben aggasztóan bonyolult folyamatain.

A Guyana Űrközpont. Előtérben a Vega rakéta starthelyét, háttérben pedig az Ariane indítókomplexumot láthatjuk. Kép forrása: ESA

Az Ariane-5 rakéta bemutatása

A kimondottan nagy sikernek örvendő Ariane-széria 1,2,3 és 4-es verziója után, melyek mérnöki szempontból szorosan kapcsolódtak egymáshoz, a Francia Űrügynökség (CNES) egy teljesen új típusú járművet szeretett volna megalkotni. Németországgal és más európai országokkal, majd később az ESA-val közösen kezdődött meg a rakéta kifejlesztése. A 80-as évek végén és a 90-es évek elején a NASA Freedom űrállomása volt az egyik mérvadó űrkutatási projekt az ESA asztalán, és az Ariane-5-öt eredetileg a Hermes személyszállító űrrepülőgép indítójárműveként is szerették volna használni. Későbbi tervek szerint az európai Columbus űrállomásmodul, több európai műholdhálózat és rengeteg egyéb misszió is az Ariane-5 "hátán" kapaszkodott volna fel a világűrbe.

Ma már azt tudjuk, hogy a Freedom-projekt a Nemzetközi Űrállomásban öltött alakot, a Hermes űrrepülőgép sajnos sosem valósult meg, és a Columbus modult az amerikai űrsiklók egyikével juttatták el az űrállomásra. Ennek ellenére az Ariane-5 folytatta elődjeinek sikertörténetét, és a világ egyik legmegbízhatóbb űrtaxijává vált, főleg a nagy tömegű távközlési szatellitek piacán. Ezzel egy időben a Nemzetközi Űrállomást is rendszeresen célba vette, és az európai ATV teherűhajók sorozatát állították vele pályára. Tudományos küldetésekben sem volt szegény a nehézrakéta karrierje: az XMM Newton röntgencsillagászati teleszkóp, az Envisat földmegfigyelő műhold, a magyar műszerekkel ellátott Rosetta üstökösvadász-űrszonda és Philae leszállóegység, a Herschel és Planck infravörös és mikrohullámú tartományban üzemelő űrtávcsövek, a BepiColombo Merkúr-küldetés és a Galileo navigációs műholdas hálózat egy része is Ariane-5 rakétákon jutott célba.

Az Ariane-5 korábbi tudományos küldetései. Kép forrása: ESA, magyar grafika: Séra Gábor és Szabó Bence (Spacejunkie.hu)

A rakéta legnagyobb piaci előnye, hogy nagyon nagy teherbírással rendelkezik (10,8 tonna geostacionárius pályára, több mint 20 tonna alacsony Föld körüli pályára), és hatalmas orrkúpja alatt akár egyszerre két műhold is elfér. Az elmúlt évtizedek során számtalan vállalat, ország és szervezet bízta meg az Arianespace-t a telekommunikációs műholdjaik pályára állításával, és a francia vállalat a mai napig uralja ezt a piacot. Ez részben a magas pályákra tervezett dizájnnak, részben pedig annak is köszönhető, hogy a Guyana Űrközpont nagyon közel található az Egyenlítőhöz, így a világ összes indítókomplexuma közül itt tudják a lehető legjobban kihasználni a Föld tengelyforgási sebessége által nyújtott plusz "löketet".

Haladjunk lentről felfelé:

  • Étage Principal Cryotechnique - kriogenikus központi fokozat (EPC)

Az EPC szolgál az Ariane-5 rakéta első fokozataként, ha ránézünk a rakétára, akkor ez a legnagyobb középső egység. Egy közel 30,5 méteres tartályból áll, mely két részre van osztva: egy kisebb rekeszben 149 tonnányi cseppfolyósított oxigént tárolnak közel -200°C hőmérsékleten, míg a nagyobb tárolóban 20 tonnányi, üzemanyagként szolgáló folyékony hidrogén kapott helyet, aminek hőmérséklete szintén extrémen alacsony, nagyjából -260°C. Ezt a központi fokozatot egy darab, francia gyártmányú Vulcain-2 rakétamotor hajtja meg, ami induláskor 1390 kN tolóerőt produkál.

  • Étages d'Accélération à Poudre - szilárd hajtóanyagú segédrakéták (EAP)

Ez a két segédrakéta nyújtja a tolóerő 90%-át az indulás pillanatában, nélkülük nem lenne képes az Ariane-5 a magasba emelkedni. Egyenként 270 tonnát nyomnak, és körülbelül 240 tonna szilárd hajtóanyagot (ammónium-perklorát és alumíniumpor elegye) tartalmaznak, egyenként pedig több mint 7000 kN tolóerőt generálnak. ~130 másodpercig tart a működési idejük, és kisebb méretű rakétákkal történik a biztonságos leválasztásuk. Az Shuttle-segédrakétákhoz hasonlóan ezek is ejtőernyők segítségével térnek vissza az Atlanti-óceán felszínére, de amerikai társaikkal ellentétben sosem használták őket újra.

  • Étage Supérieur Cryotechnique - kriogenikus felső fokozat (ECA)

A történelme során több variánsa volt az Ariane-5 hordozórakétának, ezért fontos kiemelni, hogy most a James Webbet szállító ECA+ típusról szól az összefoglalónk, ami ahogy láthatjuk, a második fokozatról kapta a nevét. Ennek a fokozatnak a HM-7B hajtómű a "szíve", aminek a története egészen az Ariane-1-ig nyúlik vissza. Az ECA második fokozat a központi fokozathoz hasonlóan szintén kriogenikus hőmérsékletekre hűtött folyékony oxigénnel és hidrogénnel van megtöltve. A HM-7B hajtómű gazdaságos és hatékony módon képes 67 kN tolóerőt generálni, ennek működési ideje teletöltött tartályok esetén elérheti akár a 16 percet is. Fontos megjegyezni, hogy mind az első, mind a második fokozat könnyű, de strapabíró kompozitanyagokból készült. Az ECA egyes elemeit az ArianeGroup német központjában, Brémában (Bremen) gyártják, a hajtóműteszteket pedig a Német Űrkutatás Központ (DLR) lampoldshauseni telepén végzik el.

  • Coiffe - áramvonalazú kúpok

A svájci Ruag Space gyártja, két félként válik le a rakéta orráról, de négy panelből (2+2) illesztik őket össze. A hasznos terhet hivatott megvédeni repülés közben a légköri súrlódástól, az ezzel járó felhevüléstől, és az akusztikus terheléstől (meg minden egyéb mástól, amit Mark Watney átélt a Mentőexpedíció c. film végén, amikor elstartolt a Marsról). Aerodinamikai stabilitást biztosít a repülés első szakaszában, átalában 100 kilométeres magasság felett választják le pirotöltetek segítségével.

Korábbi cikkeink az Ariane-rakétákról:

A JWST ráhelyezése az Ariane-5 második fokozatára. Kép forrása: Stéphane Israël

Az Ariane-5 rakéta és az űrteleszkóp előkészítése, az indítás szekvenciája

A terep elkészítését már hetekkel az indítás napja előtt megkezdték, nagyjából 7000 kilométerre Dél-Amerikától, egy másik kontinensen. Az európai összefogásban készülő Ariane-5 rakéta alkatrészeit nem egy helyen készítik, hanem szétszórtan, Európa több különböző országában - a hajtóműveket például Franciaországban, a második fokozatot Németországban, az áramvonalazó kúpokat pedig Svájcban gyártják, és még folytathatnánk ez a listát. A komponenseket külön-külön vízi úton szállították át Guyanába, ahol az ellenőrzések és tesztek után megtörtént a rakéta végső összeszerelése.

Ezzel egyidejűleg zajlott a James Webb űrtávcső felkészítése is: december elején megtörtént az űreszköz feltankolása, majd pár nappal később a 6,2 tonnás távcsövet ráemelték az Ariane második fokozatára. Az ezután következő végső, ún. "aliveness test" tesztprogram közben egy kommunikációs probléma merült fel, ezért két napos csúszást szenvedett el a küldetés. Miután a rakétát üzemeltető Arianespace és az űrtávcső rendszereit gyártó Northrop Grumman szakemberei közösen megoldották a problémát, és az aliveness test-en is sikeresen átesett a rakéta-teleszkóp páros, zöldutat kaptak az áramvonalazó kúpok felhelyezésére, ami szintén egy különleges procedúra mentén zajlott, ugyanis a két oldalsó fél összeillesztése helyett az orrkúpot egyben, felülről emelték rá a kényes rakományra.

A James Webb űrtávcső az Ariane-5 rakterében. Kép forrása: ESA, magyar grafika: Séra Gábor és Szabó Bence (Spacejunkie.hu)

Ezt követően kezdődnek a valódi izgalmak: az űrközpont irányítása a felbocsátást megelőző 48 órában megadja az engedélyt a James Webbet tartalmazó Ariane-5 átszállítására. A Guyana Űrközpont egyik érdekessége, hogy a rakétát egészen az indítás pillanatáig stabilan tartó kiszolgálótorony mozgatható, így már a hangárban is ezen szerelik össze a rakétát. Egy teherautó vontatja ki a kiszolgálótoronyhoz kötött rakétát majd az Ensemble de Lancement Ariane-3 (Ariane Indtókomplexum-3) startállásra, magának a kigördítésnek 2 km/h lesz a végsebessége. Miután a rakéta a kiszolgálótoronnyal és az indítópaddal együtt megérkezett a komplexumba, megkezdődhet a végső visszaszámlálás.

Ekkor három dolog veheti majd kezdetét: először az Ariane rakéta külső forrásból származó tápellátását és külső elektromos rendszereit ellenőrzik, amik kritikusak ahhoz, hogy folyamatosan a kívánt körülményeket tudják fenntartani a raktérben. A második ilyen ellenőrzés a telemetriai rendszerre vonatkozik, ekkor az összes beérkező adatcsatornát végigpásztázzák, ami az Ariane-5 és a Jupiter névre keresztelt küldetésirányító központ között húzódik - itt nem véletlenül szerepel a húzódik szó, ugyanis ahogy halad a rakéta az indítókomplexum felé, egy egyre hosszabb optikai vezetéken keresztül folyik az adatösszeköttetés, amit a kigördítés sebességével megegyezően tekercselnek le. A harmadik ilyen felkészítő folyamat az Ariane-5 tartályainak lehűtése, még az üzemanyagátfejtés előtt.

Egy Ariane-5 rakéta kigördítése a startállásra. Kép forrása: Arianespace/SES

Körülbelül 5 órával az indulás előtt az összes pirotechnikai töltetet és motort élesítik, és a személyzet elhagyja a terepet. Miután ez megtörtént, megkezdődhet a hajtóanyagok betöltése a rakéta tartályaiba, és a repülési szoftver feltöltése az Ariane-5 fedélzeti számítógépeibe - ebből kettő található a rakéta szervizgyűrűjében (a második fokozat és a hasznos teher adapter között), és redundánsan helyettesítik egymást. Ekkor aktiválják és kalibrálják a fedélzeti számítógép gyorsulásmérőit és giroszkópjait, amik elengedhetetlenek lesznek a repülés közbeni autonóm kormányzáshoz. A hajtóanyag feltöltése a Vulcain-2 hajtómű nyomástartó tartályának (ezüstszínű gömbtartály a rakéta alján) héliummal való feltöltésével kezdődik - ezzel az inert gázzal fogják az első fokozat oxigéntartályát a megfelelő nyomáson tartani, míg a jóval nagyobb hidrogéntartályt a Starshiphez és az SLS-hez hasonlóan egy kis üzemanyag felhevítésével és visszavezetésével fogják a repülési nyomáson tartani. Legutoljára a Vulcain-2 hajtómű hidraulikus rendszerét töltik meg héliummal, aminek az lesz a szerepe, hogy a rakétamotor fúvókáját irányítsa repülés közben, ezáltal kormányozva az egész Ariane-5-öt. Körülbelül 3 órával később a második fokozatot ugyanilyen módon szintén feltöltik a szükséges anyagokkal, ami egészen az indulás előtti negyedik percig fog tartani.

Három perccel a start előtt az összes üzemanyag-átfejtő vezetéket eltávolítják a rakétáról, és a legfrissebb repülési szoftver is felkerül a rakéta "agyába", vagyis a fedélzeti számítógépbe. Két perccel a start előtt a Vulcain-2 hajtómű hidrogénszelepeinek egy része kinyílik, így folyamatosan üzemanyagot áramoltatva a motoron keresztül azt a szükséges hőmérsékleten tartva. Egy perccel T-0 előtt az Ariane-5 belső tápellátásra vált, és a fedélzeti számítógép átveszi a teljes kontrollt a visszaszámlálás felett. 37 másodperccel a T-0 előtt beindul a hajtóműindítási szekvencia, és az adatrögzítőket (fekete doboz) is aktiválják.

Egy korábbi Ariane-5 rakéta a startálláson az Envisat műholddal a rakterében. Kép forrása: ESA

Fél perccel T-0 előtt megkezdik az 1500 köbméter víz kieresztését az indítóállásra. 10 másodperccel a T-0 előtt egy utolsó ellenőrzésként meggyőződnek a tartályok nyomásáról. 5 másodperccel a T-0 előtt elérünk az ún. point of no return-höz, tehát ekkortól már nincs mód arra, hogy megszakítsák az indítás folyamatát, mindenképpen menni kell. A sárga színű, szimmetrikus tartókarok ekkor visszahúzódnak, és nem szolgáltatnak tovább légkondícionálást a hasznos tehernek, az orrkúp alatt. A Vulcain-2 hajtómű alatt több, csillagszóróhoz hasonló szerkezet is beindul, amiknek az a dolga, hogy bármilyen nemű hidrogéngáz-többletet elégessenek a rakéta aljánál, ami esetleg veszélyeztetheti az indulás pillanatában a rendszereket.

T-1 másodperckor egy pirotöltet felpörgeti a Vulcain-2 hajtómű szivattyúit, amik elkezdik az oxidálószer és üzemanyag pumpálását a hajtóműbe, ahol a két anyag elegye begyullad, és a motor elkezd tolóerőt generálni (Allumage de Vulcain). Miután elérte a 100%-os tolóerőt a Vulcain-2, a két oldalsó segédrakéta begyújtására is megadja a fedélzeti számítógép a parancsot (l'allumage des deux EAP). A James Webb űrtávcső utolsó földi pillanatait a francia nyelvű visszaszámlálás fogja betölteni. T+6 másodperckor a magasba emelkedik a rakéta (décollage!).

Egy Vulcain-2 hajtómű beindítása. Kép forrása: Arianespace

A két hatalmas segédrakétának köszönhetően meglepően gyorsan fog felszállni a 770 tonnás rakéta. Az oldalsó segédrakéták ~130 másodperccel a startot követően fognak leválni - ekkor a rakéta már 73 kilométeres magasságban fog járni, és olyan nagy lesz a sebessége, hogy 2 kilométert fog megtenni minden egyes másodpercben - ez hatvanszor gyorsabb, mint a Prága-Budapest EuroCity vasúti járat maximális sebessége, ami körülbelül 120 km/h-nál tetőzik. A központi fokozat tovább folytatja útját, a Vulcain-2 hajtómű pedig egészen T+9 percig fogja gyorsítani az űrtávcsövet és az első fokozatot. A főhajtómű leállásakor 6,9 km/s sebességgel fog száguldani a rakéta az Atlanti-óceán felett.

Az ECA második fokozat HM-7B hajtóműve veszi át ekkor a gyorsítás szerepét, és nem kevesebb, mint 16 percen át fogja fokozatosan növelni az űrteleszkóp sebességét, egyenesen "kirepítve" azt a Nap-Föld rendszer L2 Lagrange-pontjába. 27 perccel a start után megtörténik az egyik legkritikusabb pillanat - az adapterbe beépített rugós szerkezet kioldja a tartókarokat, és a James Webb űrteleszkóp leválik az Ariane-5 rakétáról. A második fokozat gázdinamikai fúvókái segítségével a lehető legtávolabbra kormányozza magát az űrteleszkóptól, hogy ne álljon fenn annak az esélye, hogy valami okból újra érintkezésbe kerüljenek. Miután ez megtörtént, az Arianespace hivatalosan is elvégezte a rá bízott munkát, és a JWST megkezdheti a rendszereinek aktiválását. Ekkor az űrtávcső egy átlagos puskagolyó sebességének a 32-szeresével fog haladni, több mint 43 200 km/h sebességgel.

Az Ariane-5 indítási idővonala. Kép forrása: ESA, magyar grafika: Séra Gábor és Szabó Bence (Spacejunkie.hu)

Az indítást élőben fogjuk közvetíteni magyar nyelven a Spacejunkie YouTube-csatornán, az élő stream ezen a linken érhető el. Mindenképpen egy sorsdöntő pillanat lesz a rakéta elemelkedése, ugyanis az eddigi legbonyolultabb és legérzékenyebb ember alkotta szerkezet űrbe juttatása lesz az Arianespace szakembereinek a felelőssége, akik saját bevallásuk szerint nagyon várták már a küldetést, de érzik magukon a nyomást. Semmiképp sem a legmegnyugtatóbb dolog egy dollármilliárdokba kerülő, évtizedeken át készülő tudományos eszközt egy többszász tonnás rakétára helyezni, aminek egyik végén több mint 20 percen keresztül több kontrollált robbanás fog végbemenni. Azt sem szabad elfelednünk viszont, hogy a jelenleg repülő nehézrakéták közül az Ariane-5 az egyik, ha nem a legmegbízhatóbb, és több évtizedes tapasztalat áll a cég és a mérnökök mögött.

A holnap érkező második részben a James Webb űrtávcső aktiválásának különböző folyamatait fogjuk bemutatni, és végighaladunk az összes történésen a rakéta leválásától egészen az első kép elkészítéséig.

A bemutató sorozat további részei:


Elkötelezettek vagyunk, hogy tevékenységünk reklámoktól mentes maradjon és kizárólag közösségi finanszírozásból működhessünk. Ha tetszik a munkánk, akkor azt kifejezheted egy megosztással, illetve ha van módod, anyagilag is hozzájárulhatsz az oldal működéséhez, ezt a "Támogatás" gomb megnyomásával teheted meg.



"A James Webb űrtávcső útja a felbocsátástól az első képig - 1. rész" bejegyzés hozzászólásai (0 db)

Jelenleg még senki nem szólt hozzá a témához! Légy Te az első!

Hozzászólás írása +