Nejmenší raketa ISRO napodruhé úspěšná

Nejmenší raketa ISRO napodruhé úspěšná

13. února 2023

Od nové rakety SSLV si Indie mnohé slibuje. Raketa je velmi levná a mohla by pro spoustu komerčních zákazníků představovat zajímavou alternativu, ale bylo třeba prokázat, že je schopna dopravit náklad v pořádku na oběžnou dráhu. Jelikož před přibližně šesti měsíci první pokus nevyšel, bylo velmi důležité připravit se na pokus další. ISRO se ale z předešlé chyby poučilo. Druhý start se povedl a nosič vynesl 3 malé družice. V tomto článku si rozebereme nejen tento start, ale i příčinu předešlého selhání. Raketa SSLV je odpovědí Indie na rozrůstající se trh s malými nosiči. Předpokládá se vysoká rychlost přípravy na start. A to díky značné autonomii a celkově jednoduché logistice. Pro srovnání, start rakety PSLV obsluhuje až 600 pracovníků, zatímco operace spojené se SSLV má řídit malý tým asi šesti lidí. Očekává se, že doba pro přípravu SSLV ke startu bude kratší než týden, namísto současných měsíců. Nosná raketa může být sestavena jak vertikálně, jako stávající PSLV a GSLV, tak i horizontálně jako již vysloužilé SLV a ASLV.

Nejdříve selhání…

Pozice přístrojové sekce EB, kde najdeme navigační systém rakety. Obrázek: ISRO. Úprava: autor

Vstup do roku 2023 se Indické kosmické agentuře ISRO povedl. První letošní start označený D2 (Development Flight 2) byl reparát nepovedeného startu ze srpna roku 2022. SSLV je třístupňová nosná raketa, ale někdy se uvádějí stupně 4, protože raketa má k nákladu přidělaný malý modul na kapalné pohonné látky VTM (Velocity Trimming Module) pro přesné usazení nákladu. Během prvního startu na palubě byly dvě družice, které byly bohužel zcela ztraceny. Raketa měla vynést náklad na kruhovou oběžnou dráhu (LEO) s výškou 356 km. Místo toho, ale SSLV umístila družice EOS-2 pro dálkový průzkum Země a studentský cubesat AzaadiSAT, na eliptickou dráhu s parametry 360.56 km x 75.66 km. Což mělo za následek jejich brzký zánik v zemské atmosféře. Jasnou prvotní příčinou byla malá dosažená rychlost. ISRO však postupně dospělo k závěru, že hlavním důvodem selhání byly nepředpokládané vibrace. Vyšetřování jasně ukázalo na viníka – druhý stupeň SS2. Konkrétně během oddělení druhého stupně došlo k neočekávaným otřesům. Tyto vibrace způsobily poruchu navigačního systému (INS). Respektive jeho vyřazení z provozu. Systém najdeme přidělán k přístrojové části pod nákladem (Equipment Bay EB) včetně gyroskopů v kompaktní přístrojové skřínce. ISRO pro tuto raketu vyvinulo zcela nový Inerciální navigační systém (INS), který je velmi podobný tomu, jaký používají například vojenské ponorky. K určení polohy a navigaci v prostoru například nepotřebuje GPS. Nese název Inertial Navigation System (INS) nebo MINS-6S. Obsahuje 6 gyroskopů MEMS (pro měření rychlosti otáčení) a 6 keramických servoakcelerometrů (pro měření zrychlení). Uzavřené od vibrací v izolované sestavě s řízenou teplotou. Zpracováním signálů z těchto zařízení je možné následně přesně sledovat polohu a orientaci. Dokonce podobný systém bude mít řada z Vás ve svém mobilním telefonu. Tento systém je lépe chráněn například proti rušení nebo výpadkům. ISRO má ve svém navigačním systému přidán i přijímač signálu pro družice NavIC (indická obdoba GPS) pro zvýšení přesnosti. Nový algoritmus odhaduje chybu polohy (orientace) způsobenou gyroskopy MEMS a pomocí dat NavIC je koriguje tak, aby bylo dosaženo požadované přesnosti. Logika detekce poruch dokáže identifikovat poškozený akcelerometr (jeden nebo všech 6) a odpojit je pro zlepšení výkonu mise a to se také stalo.

Přístrojová část s navigačním systémem lze nalézt v černé části (EB), která je nově zakryta. V horní části lze vidět dvě družice, které nakonec shořely v atmosféře. Obrázek: ISRO

Během oddělení druhého stupně SS2 došlo u všech šesti akcelerometrů ke krátkodobému nasycení měření v důsledku vysokých úrovní vibrací. Akcelerometry se nasytily v různých časových okamžicích v rámci 20 milisekundového intervalu vzorkování dat, což vedlo k tomu, že každý senzor naměřil jiné hodnoty zrychlení. Výsledkem byly vysoké hodnoty (jejich rozdíl) přesahující stanovenou mez po dobu 2 sekund. Raketa tak zcela ztratila orientaci v prostoru. Software pro detekci a vyhodnocení poruch (FDI) vyhodnotil všechny senzory za vadné a zpustil záchranný režim a odpojil je. Což je poslední způsob, jak lze misi ještě zachránit, pokud právě tento systém selže. Záchranný režim se plně spustil bez podpory údajů z akcelerometrů, které byly ovšem stále plně funkční a vynesl družici na nestabilní dráhu. Zážeh třetího stupně SS3 byl nařízen sekvenčním programem a další operace již probíhaly čistě naslepo bez údajů z navigačního systému. Zážeh čtvrtého stupně, nebo modulu VTM chcete-li, byl podle dostupných údajů vynechán úplně, protože by v některých případech mohl být překážkou v úspěchu záchranné varianty. Nedostatek asi 56 m/s na konci vyhoření stupně SS3 v konečné rychlosti (v důsledku kumulativního nedostatku výkonu všech pohonných stupňů) a ztráta přesnosti navedení v důsledku chyb senzorů, cílové dráhy nemohlo být dosaženo. To naznačuje, že i provedení záchranné varianty nemusí vždy vést k úspěšnému umístění družic na oběžnou dráhu. ISRO tedy provedlo v celém systému nutné změny. Celkově jich bylo pět.

Změna oddělovacího systému
Separační systém použitý pro oddělení druhého stupně od třetího byl nahrazen osvědčeným Marmanovým systémem, který ISRO běžně používá u svých raket dlouhá léta. Ukázalo se, že tento způsob vytváří menší rázy a používal se už při oddělování třetího stupně SS3.

Změna Softwaru pro detekci a vyhodnocení poruch FDI
Logika FDI založená na prahové hodnotě akcelerometru byla upravena o rozšířena o hodnoty z letu. Kontrola vyhodnocení akcelerometrů upravena tak, aby zvládala lépe přechodné události. Okno přechodu do záchranného režimu upraveno tak, aby v případě identifikace poruchy více snímačů v MINS byla zavedena kontrola a časový interval prodloužen.

Úprava přístrojové sekce Equipment Bay (EB)
Konstrukce sekce EB byla předělána, aby lépe odolávala vibracím. Posílena spodní část sekce.

Využití NavIC
Pokud dojde k odpojení nebo poškození navigačního systému INS bude mise dále pokračovat pomocí údajů z družic NavIC v navádění. Nový způsob zálohy během vypadnutí hlavního systému.

Změna stupně VTM v záchranném režimu
V případě poruchy inerciálních senzorů a nedostupnosti dat NavIC (po dobu delší než 10 s) bude provedeno navádění v otevřené smyčce. I v tomto záchranném režimu bude zohledněna pohonná schopnost VTM a budou použity trysky, aby bylo zajištěno minimální požadované perigeum mise.

Pokud si pozorně projdeme tento výčet, tak musíte uznat, že ISRO bylo schopno se s problémem vypořádat velmi rychle, což není v tomto oboru běžná praxe. Všechny zmíněné body byly přitom důležité pro zvládnutí druhé zkušební mise SSLV D2.

Netradiční snímek ze startu rakety SSLV. Obrázek: Suhile Ahamed

Poté úspěch

Pro Indii byl tento start důležitý ve více ohledech. Měl potvrdit, že uvedené úpravy byly správné a zároveň ukázat, že raketa je připravena ke komerčnímu využití. Raketa SSLV při druhé misi, ale byla jiná také vizuálně. Na raketě byla použita jiná grafika. SSLV na svou druhou misi odstartovala 10. února. Na palubě byly družice tři. EOS-07 pro dálkový průzkum Země, soukromá družice Janus-1 a studentská AzaadiSat-2. Cílová destinace byla ve výšce 450 km na kruhové, nízké oběžné dráze. Start proběhl bez sebemenších komplikací a oddělení první družice (EOS-07) nastalo 12,5 minuty po startu. Zatímco poslední opustila útroby přibližně v 15 minutě (AzaadiSAT-2). Podle dostupných informací jde v případě EOS-07 o téměř, ne-li zcela identickou družici, jako byla ztracená EOS-02 z předešlého startu. Jde o demonstrační řadu družic pro dálkový průzkum země. Družice třeba sbírá kartografická data a sleduje proměny v čase. Hmotnost družice je 156.3 kg. JANUS-1 je 6U CubeSat o hmotnosti 10,2 kg kalifornské společnosti Antaris Space. Opět jde o zkušební družici, která má na palubě cloudový software. Ten umožňuje společnosti, nebo klientovi převzít odpovědnost za její provoz. V rámci této mise bude řada klientů provádět úkoly zahrnující pokročilou experimentální laserovou komunikaci, komunikaci internetu věcí (IoT), strojové učení (ML) a rádiovou komunikaci. Posledním pasažérem byla studentská družice pro organizaci Space Kidz India. Na palubě je až 75 studentských experimentů s průměrnou vahou 50 g. Družice váží 8.7 kg, má ale i selfie kameru a transpondéry UHF-VHF. Prostřednictvím tohoto projektu se Space Kidz India snaží povzbudit ženy v oblasti STEM a zároveň jim poskytnout v mladém věku minimální, základní znalosti o kosmických aktivitách. Všechny družice se po vynesení ozvaly a fungují zatím bez problémů. Vzletová hmotnost byla 120 t

Studentská družice AzaadiSAT-2 17 hodin před startem rakety. Obrázek: Space Kidz India

Po úspěšném startu předseda ISRO S. Somanath prohlásil SSLV za nový nosič Indie. Jinými slovy kvalifikace skončila a raketu čeká ostrý provoz. Je možné, že se letos dočkáme ještě minimálně jednoho startu této rakety a zajímavé bude sledovat také to, jaká kadence a zájem o tento nosič bude. Zatím jsou známy náklady pro dva další starty.

Základní parametry rakety SSLV (Small Satellite Launch Vehicle)
Celková délka: 34 m
Průměr: 2,1 m
Startovací hmotnost: 120 t
Počet stupňů: 3+1
První stupeň SS1: délka 21 m a průměr 2,1 m, 89 t paliva (TPL), maximální tah 2600 kN
Druhý stupeň SS2: délka 2 m a průměr 2,1 m, 7,7 t paliva (TPL), maximální tah 250 kN.
Třetí stupeň SS3: délka 1,6 m a průměr 1,7 m, 4,5 t paliva (TPL), maximální tah 160 kN.
Čtvrtý stupeň: obsahuje 12 raketových motorů spalujících hypergolické pohonné hmoty s celkovým tahem 50 kN