Deep Space 1 - Første sonde i NASAs New Millennium-program

Av Arne Mo

Deep Space 1 er den første romsonden i NASAs nye New Millenium-program. Den ble vellykket skutt opp fra Kennedy-romsenteret 24. oktober 1998 med den nye Medium-Lite-versjonen av Boeings Delta 2-rakett. Hovedformålet med Deep Space 1 er å teste en rekke nye teknologier som skal gjøre fremtidige romferder enklere, billigere, raskere og mindre ressurskrevende på alle måter.

Den mest interessante av i alt 12 forskjellige teknologier som skal testes på ferden med Deep Space 1 (DS1) er utvilsomt ionemotoren, men det mangler ikke på andre interessante og mer eller mindre revolusjonerende teknologier.Jeg skal beskrive disse litt nærmere senere i artikkelen.

I tillegg til å teste ny teknologi skal DS1 etter planen besøke asteroiden 1992 KD i juli 1999. DS1 skal, hvis alt går etter planen, fly forbi denne asteroiden i en avstand av bare 5-10 km, noe som i så fall vil bli det nærmeste noe romfartøy har vært et annet naturlig objekt i verdensrommet uten å lande på det. Hvis dette blir vellykket, foreligger det videre planer om å forlenge ferden med blant annet besøk til to kometer i år 2001.

Planleggingen av DS1 startet opp i 1995, og en oppskyting bare tre år senere er faktisk rimelig oppsiktsvekkende i romfartskretser. Prosjektet styres og håndteres av NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL), som blant annet samarbeider med selskapet Spectrum Astro, som har utviklet selve romsonden.

New Millennium

Det er på sin plass med en kort beskrivelse av NASAs New Millenium-program. Programmet ble startet i 1994, og hovedhensikten er å utvikle ny teknologi som gjør det mulig å sende opp så mange som 10-15 romsonder hvert år med sterkt fokus på vitenskapelige formål. For å få til dette er man nødt til å utvikle teknologi som er mer avansert enn dagens, samtidig som kostnader og ressurser forbundet med slike oppskytinger blir kraftig redusert. Dette er svært ambisiøse målsetninger, og vil kreve radikale forandringer i så å si alle fasene av utvikling, design og ikke minst drift av en romsonde.

JPL ble valgt til å administrere utviklingen av programmet, og man fant fort ut at prosjektet måtte deles opp i seks ulike teknologiske grupper. Disse gruppene består av relativt få, men høyt kvalifiserte mennesker med ulik bakgrunn. Om lag halvparten av medlemmene kommer fra NASA og ulike departementer, mens resten er representanter fra ulike forskningsmiljøer, laboratorier og firmaer. Gruppene skal drive forskning og utvikling innenfor følgende seks områder:

• Autonome systemer
• Mikroelektronikk
• Mikroelektromekaniske systemer
• Utvikling av instrumenter og arkitektur
• Kommunikasjon
• Modulære og multifunksjonelle systemer

DS1 er den første ferden hvor resultatet av dette arbeidet skal testes i praksis. I januar 1999 ble neste ferd, DS2 eller Mars Microprobe Project, sendt av gårde mot Mars om bord på Mars Polar Lander. Dette er to små penetratorer som etter planen skal skytes ned i overflaten på Mars og foreta ulike tester og målinger (se artikkelen Hektisk framtid på Mars i Nytt om Romfart nummer 109, 1999, sidene 16-19). I øyeblikket foreligger det også konkrete planer om ytterligere to ferder om to-tre år.

Oppskyting

DS1 ble vellykket skutt opp fra Cape Canaveral Air Station i Florida om bord på en modifisert Delta 2. Sonden ble frakoblet Delta-rakettens tredje trinn rundt 550 km over Det indiske Hav og sendt ut i verdensrommet med en hastighet av 39 600 km/t. En stund holdt ingeniørene pusten da det hersket stor usikkerhet om skjebnen til DS1 fordi kontrollsenteret ikke mottok noen signaler fra sonden, men etter 13 nervepirrende minutter mottok Goldstone-stasjonen i NASAs Deep Space Network i det sydlige California endelig livstegn fra DS1. Etter litt sjekking kunne mannskapet ved kontrollsenteret konstatere at DS1 var frisk og rask.

Delta 7326 Med-Lite er den mer eller mindre offisielle betegnelsen på den modifiserte Delta 2-raketten som ble brukt under oppskytingen. Mens den normale utgaven av Delta-raketten har ni faststoffrakettmotorer, har 7326 kun tre motorer utviklet av Alliant Techsystems.

Bærerakettens andre trinn er for det meste helt likt en vanlig Delta, mens tredje trinn er noe mindre, med blant annet en rimeligere Thiokol Star 37FM-motor i stedet for den vanlige Star 48.

Med på ferden var også en liten, enkel satellitt utviklet av studenter ved University of Alabama i Huntsville kalt Sedsat. Denne har med seg blant annet en del kommunikasjonsutstyr samt et enkelt multispektralt kamera.

12 ulike teknologier

Som nevnt ovenfor skal DS1 teste en rekke nye teknologier. En del av disse har som formål å gjøre fremtidige romsonder mindre og rimeligere, mens andre skal gjøre ferdene mindre ressurskrevende ved bruk av intelligente styrings- og overvåkningssystemer.

Ionemotor

Ionemotoren har vært populær blant science fiction-forfattere i flere tiår, og noen kjenner vel igjen begrepet fra kjente filmer som Star Trek og Star Wars. Nå er dette en realitet, om enn i en litt annen form enn i disse filmene.

Prinsippet for ionemotoren er relativt enkelt. Man benytter xenon - som er en edelgass som blant annet benyttes i blitzlamper (og helt i det siste i lyskastere på nye biler) og utnytter en teknikk ikke helt ulik det vi finner i billedrørene i TV-skjermer - til å utvikle en kraft noenlunde lik det et A4-ark øver når det ligger på en hånd. Til tross for denne nesten ubetydelige kraften, vil en ionemotor over lang tid utvikle mer kraft enn det en konvensjonell motor basert på flytende brensel kan med en gitt mengde brensel.

Grunnleggende virkemåte

DS1 bar med seg totalt 82 kg xenon ved oppskyting. Når ionemotoren starter blir elektroner skutt ut fra et katoderør i ene enden av brenselskammeret (sammenlignbart med det som skjer i et billedrør i en TV eller en PC-skjerm). Elektronene treffer xenon-atomer, og følgelig blir denne gassen ionisert ved at ett av de 54 elektronene som svever rundt xenon-atomet blir revet løs.

I den andre enden av kammeret befinner det seg to metallstaver som er ladet positivt og negativt med en potensialforskjell på omtrent 1280 V. Kraften fra denne elektriske ladningen øver et sterkt elektrostatisk trykk på xenon-ionene, og disse skyter fart bakover med en hastighet på over 100 000 km/t ut av kammeret og ut i verdensrommet. For å forhindre at xenon-ionene blir trukket tilbake og inn i kammeret, sender en elektrode helt bakerst i motoren elektroner inn i gassen slik at denne blir nøytralisert.

Ved full effekt vil ionemotoren kreve rundt 2500 W og levere et trykk på om lag 90 mN. På sitt minste krever motoren 500 W og leverer et trykk på 20 mN. Solcellepanelene til DS1 vil aldri klare å levere 2500 W, og således vil heller ikke motoren kunne levere maksimal effekt under ferden.

Hva er det nå som gjør dette så fantastisk revolusjonerende? Egentlig ingen ting. Prinsippet har vært kjent i mange år; faktisk ble den første ione-motoren konstruert og benyttet allerede i 1964 på en rakett som ble kalt Space Electric Rocket Test 1 (SERT 1). Senere er flere andre motorer blitt utviklet og testet, riktignok ved bruk av kvikksølv eller cesium i stedet for xenon, men prinsippet er det samme som i dag.

Hemmeligheten bak ionemotoren ligger i den stabile effekten den leverer. Denne kan selvsagt aldri bli sterk nok til løfte et romfartøy ut i verdensrommet, men på en ferd for eksempel til det ytre Solsystemet av flere års varighet er den ideell. Når en ionemotor kan operere stabilt i en lengre periode, vil den levere betydelig effekt og således fremdrift for romsonden.

I løpet av den planlagte ferden med DS1 vil ionemotoren endre romsondens hastighet med mer enn 13 000 km/t. Enda viktigere er det faktum at ionemotoren utnytter drivstoffet mye mer effektivt. Enkelt sagt er denne motoren 10 ganger mer effektiv enn en motor som benytter flytende drivstoff. Ionemotoren til DS1 er cirka 30 cm i diameter.

Nye solcellepaneler

For at ionemotoren på DS1 skal kunne fungere, trenger den strøm. Strømmen skal først og fremst leveres fra solcellepaneler, og dermed oppstod behovet for å utvikle nye og høyeffektive paneler. Disse prøves nå ut på DS1, og består av en kombinasjon av solceller med svært høy ytelse og linser som er laget for å fokusere sollyset på cellene, såkalte Fresnel-linser.

DS1 har to «vinger» med fire paneler på hver. Ved oppskyting var vingene foldet sammen, men etter at de var foldet ut målte vingene 11,8 m fra tupp til tupp. Totalt er de dekket av 720 sylindriske Fresnel-linser laget av silikon som konsentrerer sollyset mot 3600 solceller som er laget av en blanding av gallium-indium-fosfat, galliumarsenid og germanium. Panelene produserer 15-20 % mer strøm enn dagens paneler av samme størrelse. Til å begynne med vil panelene levere omtrent 2400 W, men dette vil gradvis bli redusert etter hvert som sonden fjerner seg fra Solen.

Autonome systemer og teknologi

Etter hvert som stadig flere romsonder skytes opp, øker behovet for å utvikle teknologier som gjør at sondene kan greie seg mer på egen hånd, uten at horder med ingeniører til enhver tid skal detaljstyre alle bevegelser og sjekke alle mulige data. DS1 vil teste ut flere slike autonome systemer:

1. Autonom navigasjon, AutoNav

Under en tradisjonell romferd vil systemer på Jorden hele tiden følge romsonden og bestemme dens plass i verdensrommet. Disse systemene vil også med jevne mellomrom kommandere romsondens kamera til å ta bilder av bestemte kometer, asteroider eller stjerner for å sjekke posisjonen. Basert på disse dataene vil så bakkepersonell avgjøre i hvilken grad sondens styremotorer skal avfyres og når de skal avfyres for å justere sondens kurs. Med andre ord svært så manuelle rutiner.

Dette blir det nå snart en dramatisk endring på. (Vi får håpe dette ikke fører til mange arbeidsløse ingeniører, men at disse kan utføre mer meningsfylt arbeid i fremtiden). I DS1 har man programmert datamaskinene på en slik måte at sonden på egen hånd vil ta avgjørelser i forhold til justering av den planlagte banen. Blant annet har man matet datamaskinen med baneparametere for 250 asteroider og posisjonene til 250 000 stjerner. Basert på disse dataene vil sonden på egen hånd til enhver tid holde rede på hvor den er og hvor den skal ved å sammenligne data fra bilder den tar underveis med data som er lagret i datamaskinen.

Datamaskinen vil på bakgrunn av dette også kommandere ionemotoren til å endre effekt slik at bestemte parametere kan endres. DS1 er også utrustet med tradisjonelle hydrasin-motorer i tilfelle det skulle bli behov for det.

I løpet av ferden håper man å få svar på om AutoNav fungerer som planlagt, og hvilke endringer det vil bli behov for i fremtidige systemer.

2. Remote Agent

DS1 er også utrustet med datasystemer som er bygget for å fatte mange beslutninger på egen hånd. Disse systemene fungerer slik at bakkekontrollen gir en del generelle betingelser, mens systemene på egen hånd fatter de endelige beslutninger om detaljer basert på kontroll av en mengde informasjon og sammenligning med et regelverk som er forhåndsprogrammert. Systemene er designet slik at de skal kunne håndtere mange uventede situasjoner, og fordi disse systemene sitter inne med mye mer detaljerte beskrivelser av romsondens faktiske status vil de kunne utnytte romsondens ressurser på en mer effektiv måte.

Remote Agent vil ikke være operativ hele tiden under DS1s ferd, men vil bli aktivisert i gitte tidsrom for å kontrollere ionemotoren og enkelte andre utvalgte systemer. I tillegg vil man overføre nødvendig programvare til romsonden underveis.

3. Beacon Monitor Operations Experiment

Dette eksperimentet skal forenkle kommunikasjonen mellom sonden og bakken som brukes for å verifisere sondens tilstand. Under tradisjonelle ferder legger denne kommunikasjonen beslag på store deler av kapasiteten til NASAs Deep Space Network, og reduserer den mengde vitenskapelige data som kan overføres betydelig.

Eksperimentet vil kun overføre sondens helsetilstand i form av fire grunnleggende toner eller farger. «Grønn tone» indikerer alt vel. «Oransje tone» indikerer en eller annen mindre viktig faktor som kan sjekkes senere. «Gul tone» indikerer en anmodning om å oversende mer detaljerte data, slik at bakkemannskapet kan forberede tiltak, mens «rød tone» indikerer «øyeblikelig hjelp», det vil si at noe kritisk er inntruffet. En viktig del av dette systemet er den kunstige intelligensen man har bygget inn i datasystemene om bord, slik at sonden selv kan oppsummere sin helsetilstand kontinuerlig.

Dette systemet vil selvfølgelig redusere behovet for dataoverføring betydelig. Dessuten vil man nå greie seg med antenner på mellom tre og ti meter for å motta signalene i motsetning til tradisjonell kommunikasjon som krever bruk av gigantiske 70 m-antenner som det ikke finnes altfor mange av på Jorden.

Som for de andre nye teknologiene vil ikke DS1 benytte dette systemet under hele ferden, men teste det i utvalgte perioder.

Vitenskapelige instrumenter

DS1 har med seg to nyutviklede nestegenerasjons vitenskapelige instrumentpakker:

1. Miniature Integrated Camera Spectrometer (MICAS)

MICAS består av et kamera som kan ta relativt enkle svart-hvitt bilder, samt et ultrafiolett spektrometer og et infrarødt spektrometer, alt pakket sammen i en 12 kg tung enhet. MICAS skal utføre tre funksjoner om bord på DS1. For det første skal man teste hvor brukbart selve instrumentet er med tanke på fremtidige ferder. For det andre skal MICAS ta bilder til bruk i DS1s autonome navigasjonssystem, og for det tredje skal MICAS benyttes til å samle inn viktige vitenskapelige data, spesielt i forbindelse med forbiflygingen av asteroiden 1992 KD.

2. Plasma Experiment for Planetary Exploration (PEPE)

PEPE kombinerer flere ulike instrumenter som skal studere interplanetarisk plasma - det vil si ladede partikler, hvorav de fleste stammer fra solvinden - i en seks kilo tung pakke. PEPE skal også benyttes til tre formål. Igjen skal selve instrumentet gjennomgå en del tester. Dernest skal PEPE benyttes til å kartlegge ionemotorens påvirkning på miljøet rundt og spesielt direkte på selve romsonden, og til slutt til å samle inn vitenskapelige data. PEPE har ingen bevegelige deler.

Ulike telekommunikasjonsteknologier

DS1 bærer med seg to ulike, nye telekommunikasjonssystemer:

1. Small Deep Space Transponder

DS1s transponder, eller radio, kombinerer ulike funksjoner i en liten, kompakt, tre kilo tung enhet. Denne kan sende og motta i mikrobølge- og X-båndet, samt sende i det høyfrekvente Ka-båndet. Det unike med dette systemet er det kompakte designet, som man har utviklet ved bruk av avanserte elektroniske komponenter og en nyutviklet måte å pakke disse sammen. Enheten er utviklet av Motorola.

2. Ka-band Solid State Power Amplifier

Denne forsterkeren gjør det mulig for DS1s radio å overføre data i Ka-båndet. Ingeniørene er svært interessert i å teste datakommunikasjon i dette frekvensbåndet fordi det gjør det mulig å benytte mindre antenner, samtidig som effektbruken er mindre enn i det tradisjonelle X-båndet. Ka-båndet er imidlertid mer utsatt for påvirkning fra værforhold på Jorden. I løpet av ferden skal DS1 gjennomføre en rekke tester i forbindelse med kommunikasjon i dette frekvensbåndet. Det finnes i dag kun én stasjon i NASAs Deep Space Network som kan motta data i Ka-båndet. Denne ligger i Goldstone ute i Mojave-ørkenen i California.

Mikroelektronikk

DS1 skal teste tre ulike teknologier innenfor dette området:

1. Laveffekt-elektronikk

DS1 har flere mindre systemer som skal teste bruken av nye, avanserte, mikroelektroniske komponenter som er designet for å forbruke ekstremt lite strøm.

2. Multifunksjonelle systemer

I tradisjonelle romsonder er strukturelle, termiske og elektroniske funksjoner som regel utviklet hver for seg og siden koblet sammen via «klumpete» kontakter og ved bruk av kabler. På DS1 vil man teste ut et system hvor man har bygget disse funksjonene i en enhet hvor man i stor grad eliminerer bruken av kabler og kontakter.

3. Strømaktivisering

Det tredje og siste av disse nye, mikroelektroniske systemene skal teste bruken av en «smart» strømbryter som også skal bidra til å redusere unødvendig bruk av dyrebar elektrisk strøm.

Resultater så langt

Hvordan har så denne spennende ferden forløpt så langt? Den viktigste delen av ferden vil være de første seks månedene etter oppskyting, og i løpet av de første åtte ukene vil samtlige nøkkelfunksjoner bli testet. I og med at DS1 utnytter ny teknologi på nesten alle områder, er man også svært avhengig av at de aller mest kritiske systemene, slik som de nye solcellepanelene og kommunikasjonssystemene, fungerer allerede timer etter oppskyting.

Så langt er de mest kritiske fasene gjennomført uten de helt store problemene. Men noen problemer og utfordringer har man hatt. Et problem man har strevd litt med er den noe uventede oppførselen til sondens stjernesøker. Denne søkeren, som for øvrig ikke er en del av de nye teknologiene som skal testes, har en lei tendens til å feile et sekund eller to av og til, ned det resultat at sonden blir noe «forvirret», hvis man kan bruke et slikt uttrykk. Dette ser ikke ut til å få noen betydning for gjennomføring av ferden.

Den 11. november 1998 skulle etter planen ione-motoren startes for første gang til innledende tester, men etter rundt 4,5 minutter ble motoren uventet stanset. Gjentatte forsøk på å starte den opp igjen feilet også, uten at bakkemannskapet hadde noen forklaring på problemet. Romsonden er designet slik at den automatisk settes i «sikker modus» når det oppstår uventede problemer. Sonden er gjentatte ganger blitt satt i denne modusen, men disse problemene er, i alle fall så langt, relativt bagatellmessige. Blant annet har problemene med den nevnte stjernesøkeren ført til at sonden har gått inn i sikker modus.

Problemene med ione-motoren vakte derimot større bekymring, men etter noen dager hvor man konsentrerte seg om andre ting, valgte man å forsøke en gang til, og den 23. november startet motoren som den skulle, og man kunne endelig starte testingen.

Senere har man funnet ut at mikropartikler som festet seg mellom de to gitrene bakerst i brennstoffkammeret (og som har en svært liten innbyrdes avstand) sørget for at hele motoren kortsluttet. Etter noen uker i verdensrommet er disse partiklene forsvunnet (fordampet), og dermed ser problemet ut til å være løst.

Motoren fungerte nå svært tilfredsstillende, og man gjennomførte en rekke tester for å danne seg et bilde av hvordan en slik motor virkelig oppfører seg i verdensrommet. I første omgang lot man ionemotoren arbeide sammenhengende i over 200 timer, noe som er en lengre sammenhengende periode enn opprinnelig planlagt, og faktisk en lengre sammenhengende periode enn for noe annet lignende romfartøy utenfor jordbane. Gjennom dette har man nå oppfylt de minimumskravene man satte til uttesting av motoren før man startet ferden.

Ionemotoren ble stanset 8. desember, og man satte umiddelbart i gang med å teste PEPE. Man satte også i gang med å sende data tilbake til Jorden i Ka-båndet, altså på frekvenser fire ganger høyere enn det normal kommunikasjon til og fra verdensrommet har foregått på frem til i dag. Etter hvert skrudde man også på igjen ionemotoren og fortsatte uttestingen av denne, blant annet for å kunne bestemme den høyeste mulige effekten man kan kjøre motoren på uten bruk av andre energikilder enn solcellepanelene.

Man har nå operert ionemotoren i over 850 timer, og i denne perioden har det funnet sted 59 omstarter, som er øyeblikkelige, automatiske motoravbrudd som primært utføres for å beskytte systemet mot alvorlige ødeleggelser. Dette er et mye mindre antall enn det man opplevde da ionemotoren ble testet i vakumkammer på Jorden før oppskyting. Konklusjonen er således at ionemotoren fungerer enda bedre i verdensrommet enn man hadde håpet på.

PEPE ser ut til å fungere helt etter planen, og er i stand til å oppdage både elektroner og ioner i solvinden. MICAS har også gjennomført flere vellykkede tester så langt.

I skrivende stund har man testet AutoNav i tre uker, og man har blant annet latt systemet styre bruken av ionemotoren for å justere ulike baneparametere. Alle disse testene har vært svært vellykkede, og man ser svært lyst på den videre skjebnen til dette systemet.

Etter planen skal DS1 gjennomføre en nærpassering av asteroiden 1992 KD. Hvor nær denne passeringen blir, vil man overlate til AutoNav å avgjøre, da dette systemet vil bli aktivert cirka ett døgn før passeringen. I utgangspunktet har man programmert inn 10 km som minimumsavstand, men hvis alle forhold ligger til rette for det, vil AutoNav automatisk foreta nødvendige justeringer for å redusere avstanden til fem kilometer.

Man har god tro på at systemet vil være i stand til å foreta mer kvalifiserte avgjørelser basert på tilgang på store mengder data som den avanserte programvaren vil prosessere, i forhold til tradisjonelle manuelle avgjørelser som tas på grunnlag av et mye tynnere datagrunnlag.

Et annet spennende eksperiment ble gjennomført 8. januar. Da ble plasmainstrumentet PEPE benyttet ved maksimal ytelse, slik at det kunne observere solvinden samtidig med Cassini-sonden, som er på vei til Saturn. Den 10. januar ble også kommunikasjon i Ka-båndet grundig testet. I skrivende stund befinner DS1 seg 45 ganger så langt fra Jorden som Månen, omtrent 17 millioner kilometer, og radiosignalene fra Jorden bruker nå nesten ett minutt på å nå romsonden.

Prosjektet har så langt vært svært vellykket, og man har fått gjennomført de viktigste testene i henhold til de opprinnelige planene. Alle ser nå med stor spenning frem til nærpasseringen av asteroiden 1992 KD som etter planen vil bli gjennomført i juli 1999.

Tekst til illustrasjon brukt i artikkelen

På bildet ser vi Deep Space 1 under klargjøring. Vi får et inntrykk av den kompakte fasongen og relativt beskjedne størrelsen.

Her gjennomgår Deep Space 1 tester i Jet Propulsion Laboratorys spesielle romkammer. Romsonden er 2,5 m høy og veide om lag 485 kg ved oppskyting. Legg spesielt merke til ione-motoren på toppen av bildet.

Deep Space 1s ionemotor under testing i et vakumkammer ved Jet Propulsion Laboratory. På et farvebilde ville vi sett en karakteristisk blå farve på gassen som blåser ut av motoren. Dette skyldes ionisert xenongass eller xenonplasma som «blåser» ut, for deretter å bli nøytralisert av en stråle elektroner helt bak på motoren.

Solcellepanelene har lineære Fresnel-linser som konsentrerer sollyset ned mot striper med solceller. Når panelene er fullt utfoldet måler de 11,8 m fra tupp til tupp.