GOES-R - rewolucja w meteorologii już na orbicie

Ubiegłotygodniowej piątkowej nocy rozpoczęła się nowa era w prognozowaniu pogody przy pomocy satelitów meteorologicznych. Rakieta Atlas V wyniosła na orbitę GTO (transferową do geostacjonarnej) satelitę meteorologicznego czwartej generacji GOES-R.

GOES-R to satelita z zestawem przyrządów oferujących niespotykaną dotąd jakość pozyskiwania danych i monitoringu satelitarnego na terenie Ameryki Północnej. Można powiedzieć, że urządzenia na nim zrewolucjonizują tę dziedzinę nauki, a skok w jakości i użyteczności pozyskanych przez niego danych można porównać do przejścia z obrazu czarno-białego w telewizji do kolorowego.

5-tonowy satelita GOES-R posiada zestaw sześciu przyrządów. Orbiter ma zdolność skanowania Ziemi 5 razy szybciej od innych obecnie działających satelitów, oferuje cztery razy większą rozdzielczość i pokrywa trzy razy szerszy zakres widma badanego światła.

Jest to pierwszy satelita 4. generacji projektu GOES, który od 40 lat jest podstawowym narzędziem prognozowania pogody w USA.

Budowa satelity

Satelita GOES-R bazuje na platformie dla satelitów geostacjonarnych A2100, używanej dotychczas w ponad 40 misjach. Platforma była wykorzystywana do różnych celów – satelity telekomunikacyjne, nawigacyjne, teledetekcyjne. Jest to także dobry wybór dla tego typu urządzenia.

GOES-R ma wymiary 6,1 x 5,6 x 3,9 m.Jego masa bez paliwa to 2 857 kg, natomiast tzw. „mokra masa” wynosi 5 192 kg. Rdzeń struktury stanowi cylinder zbudowany z materiałów kompozytowych, w którym znajdują się zbiorniki paliwowe i z którego wychodzą dodatkowe panele kompozytowe na podsystemy satelity.

Na tylnej sekcji zamontowano system napędowy statku. Na wszystkich panelach bocznych znajdują się obudowane systemy elektryczne, komunikacyjne oraz kontrolne. Z przodu znalazł się zasadniczy ładunek – instrumenty przeznaczone do badania Ziemi oraz anteny komunikacyjne.

Energia dla satelity dostarczana jest przez pięciosegmentowy panel słoneczny, który gwarantuje dostarczanie minimum 4 kW energii elektrycznej. Panel jest wyposażony w system śledzenia położenia Słońca, tak by mógł pod każdym kątem ustawić panel pozyskując największą możliwą ilość energii słonecznej.

Panel zasila magistralę elektryczną, z której korzystają instrumenty na sondzie oraz baterie litowo-jonowe VL-48E o pojemności 48 Ah.

System napędowy sondy jest dosyć skomplikowany. Składa się z czterech podsystemów o różnych funkcjonalnościach: dwupaliwowy podstawowy system napędowy (Main Propulsion System), dwupaliwowy system kontroli reakcyjnej (RCS – Reaction Control System), silniki niskiego ciągu do utrzymania orbity oraz system napędu elektrycznego.

GOES-R poleciał na orbitę z 2 335 kg paliwa. Podstawową mieszankę stanowią tlenki azotu i hydrazyna. Do utrzymywania ciśnienia w zbiornikach używa się helu.

Warto odnotować niecodzienne rozwiązanie napędowe umożliwiające prowadzenie obserwacji nawet podczas manewrów konserwacyjnych sondy. GOES-R, jak każdy satelita geostacjonarny musi utrzymywać stałą orbitę i stałe nastawienie swoich przyrządów względem Ziemi. Jednak różne czynniki w przestrzeni kosmicznej utrudniają to zadanie. Czasami konieczne jest zmniejszenie obrotów koła reakcyjnego, który jest głównym urządzeniem kontroli orientacji satelity. W jego wyniku na satelitę oddziałuje moment siły, któremu trzeba przeciwdziałać, by nie zmienić jego orientacji. Do tego celu zazwyczaj używa się silniczków ACS (system kontroli położenia).

Pomimo dużej odległości od Ziemi, niełatwo utrzymać satelicie pozycję geostacjonarną. Ciągle przeszkadza w tym wiatr słoneczny i zróżnicowane pole grawitacyjne naszej planety. Satelita samoistnie dryftuje więc zmieniając nieco swoją orbitę i odchodząc od geostacjonarnego położenia. W celu utrzymania satelity w stałym położeniu, do pracy są również zaprzęgane silniki ACS.

Inżynierowie misji GOES-R, aby spełnić wymóg niezakłóconej obserwacji nawet podczas wyżej wymienionych operacji, zastosowali w satelicie specjalny system silników reakcyjnych niskiego ciągu.

Opisywane tutaj silniki LTR są zasilane paliwem jednoskładnikowym MR-401 i generują bardzo mały ciąg o wartości 0.08 N i cechują się niskim impulsem właściwym (170 s). Mogą być jednak odpalane bardzo dużą ilość razy i generują powtarzalną i dokładną siłę. Ich niski ciąg umożliwia równoważenie ich działania przez koło zamachowe satelity. Dzięki temu GOES-R może wykonywać manewry korekty orbity lub orientacji w sposób stopniowy bez konieczności przerywania pomiarów.

Do utrzymywania pozycji geostacjonarnej w kierunku północ-południe używany jest zestaw czterech silników hydrazynowych MR-510 z przyspieszaniem odrzutu za pomocą łuku elektrycznego.

Kontrolę położenia zapewnia satelicie zestaw kilku przyrządów: szperacz gwiazd z trzema optycznymi obiektywami i para inercyjnych jednostek referencyjnych SSIRU. Precyzjną nawigację na orbicie zapewni odbiornik GPS, który jest wyspecjalizowany do oceny pozycji na podstawie systemu GPS, który orbituje niżej niż GOES-R. Dlatego też nie jest możliwe wykorzystanie bezpośrednie sygnału z systemu. Odbiorniki tego typu muszą wyłapywać wycieki sygnału GPS krążące wokół Ziemi, dlatego są dużo bardziej skomplikowane od zwykłych urządzeń na niskiej orbicie okołoziemskiej.

Zmiana orientacji satelity jest w głównej mierze wykonywana przez sześć kół reakcyjnych.

Komputerem pokładowym satelity jest RAD-750. Jego procesor ma ponad 10 milionów tranzystorów i operuje na częstotliwości 200 MHz, pozwalając na wydajność obliczeniową 400 MIPS (milionów operacji na sekundę).

Instrumenty na pokładzie sondy GOES-R

Instrumenty na pokładzie sondy GOES-R możemy podzielić na trzy kategorie:
• skierowane na Ziemię:

◦ Advanced Baseline Imager (ABI – zaawansowane urządzenie obrazujące)

◦ Geostationary Lightning Mapper GLM (instrument rejestrujący wyładowania atmosferyczne)

• skierowane na Słońce:

◦ Solar Ultraviolet Imager SUVI (ultrafioletowy teleskop słoneczny)

◦ Extreme UV and X-Ray Irradiance Sensor EXIS (sensor ultrafioletu i promieniowania X)

• badające środowisko przestrzeni kosmicznej

◦ Space Enviromental In-Situ Suite SEISS

◦ Magnetometr

W stosunku do satelitów GOES poprzedniej generacji, ten nie posiada sondy dźwiękowej (ekwiwalent danych z tego instrumentu zostanie pozyskany z danych z ABI), zamiast niego satelita został wyposażony w urządzenie mapujące wyładowania atmosferyczne GLM. Poprawi się dzięki temu wykrywalność burz i dokładność oceny ryzyka z nimi związanego.

Krótki opis instrumentów sondy

ABI – najważniejszy instrument orbitera. 60% danych wysyłanych na Ziemię będzie pochodziło właśnie z tego urządzenia. Jest to trzeciej generacji instrument obrazujący w wielu pasmach spektralnych. Jest znacznie lepszy od swoich poprzedników pod każdym względem – zbiera dane szybciej, w większej ilości pasm. ABI otwiera nowy rozdział w pozyskiwaniu obrazów wysokiej rozdzielczości i danych radiometrycznych.

ABI będzie rejestrować obrazy Ziemi na 16 pasmach od podczerwieni do światła widzialnego.

GLM – urządzenie wykonujące pomiary w zakresie bliskiej podczerwieni, którego zadaniem będzie pomiar aktywności burzowej w obu Amerykach w dzień i w nocy. Urządzenie zostanie użyte do badania i prognozowania powstawania i ewolucji zjawisk burzowych.

SUVI – słoneczny teleskop pasma ultrafioletowego. Będzie on obserwował dysk słoneczny w sześciu zakresach dalekiego ultrafioletu. Urządzenie zbierze dane z warstwy przejściowej Słońca i jego korony obserwując wyrzuty materii naszej gwiazdy.

EXIS – to drugi z elementów sondy GOES-R skierowanych w stronę Słońca. Składa się z dwóch urządzeń: EUVS – do badania w ultrafiolecie oraz XRS – sensora promieniowania X. EXIS zbada aktywność Słońca i oceni jego wpływ na ziemską termosferę i jonosferę.

SEISS jest to pakiet czterech urządzeń badających cząstki znajdujące się w przestrzeni kosmicznej na wysokości orbity geostacjonarnej oraz właściwości elektromagnetyczne przez nie przenoszone.

MAG – magnetometr do pomiaru właściwości pola magnetycznego. Urządzenie zostanie wykorzystane do prognozowania pogody kosmicznej (wykrywanie burz magnetycznych), a także badań.

Relacja ze startu

Rakietą wynoszącą satelitę był Atlas V w wersji 541 (5-metrowa owiewka na ładunek, 4 rakiety pomocnicze na paliwo stałe, stopień górny Centaur).

Start został przesunięty z początku listopada z uwagi na konieczne prace po przejściu huraganu Matthew na wchodnim wybrzeżu USA. 62-metrowa rakieta wystartowała z cennym ładunkiem z kompleksu 41 w ubiegły piątek 18 listopada o 23:42. Start opóźnił się o godzinę z uwagi na drobny problem techniczny.

Trzy sekundy przed podniesieniem się rakiety, uruchomiony został dwukomorowy silnik dolnego stopnia RD-180. Po chwili rakieta przyspieszyła z pomocą swoich rakiet pomocniczych. Ciąg w początkowej fazie lotu dwukrotnie przewyższał początkowy ciężar rakiety.

Pięć sekund po starcie Atlas V zaczął się zwracać w kierunku planowanej orbity. Największe ciśnienie aerodynamiczne na rakietę działało 49 sekund po starcie.

Po minucie i 50 sekundach odłączono od głównego stopnia rakiety pomocnicze. Silnik dolnego stopnia pracował jeszcze samotnie przez niecałe 3 minuty. Nastąpiła wtedy separacja pirotechniczna pierwszego stopnia i chwilę później odpalił silnik RL-10C stopnia Centaur.

Profil startu wymagał w sumie trzech odpaleń silnika górnego stopnia. Pierwsze umieściło rakietę z ładunkiem na niskiej orbicie, niedługo potem drugie odpalenie podniosło znacząco apogeum orbity. Następnie po długo trwającym dryfie nastąpiło ostatnie uruchomienie silnika, które umieściło satelitę na orbicie GTO (orbicie transferowej do geostacjonarnej). Z tego miejsca satelita już samodzielnie przy użyciu własnego napędu ustawi się na docelowej orbicie.

Satelita został wypuszczony przez rakietę 3 godziny i 32 minuty po starcie. Znajdzie się na orbicie geostracjonarnej na 105 stopniach długości geograficznej zachodniej. Operacyjność satelity przewidziano na 14 do 20 lat. Satelita przekazuje już sygnał telemetryczny i odbiera komendy z Ziemi.

Satelita testował ostatnio silniki reakcyjne na swoim pokładzie i rozpoczął już manewrowanie w celu ustawienia się na wymaganej orbicie. Przez pełny rok będą trwały testy systemów satelity zanim zacznie on na dobre swoją pracę.

Więcej informacji