Problemy misji kosmicznych. Dlaczego loty w kosmos zwykle są opóźnione?

W tym artykule:

1. Dlaczego misje kosmiczne często są opóźnione?
2. Inżynieria detektywistyczna
3. Kosmiczne prawo Murphy’ego
4. Dużo nie znaczy lepiej
5. Porażka nie wchodzi w grę

Flagowe misje kosmiczne, czyli te, które możemy kojarzyć z budżetem wyrażanym w miliardach dolarów lub euro i z okresem budowy przekraczającym dekadę, są najbardziej ambitnymi i często najbardziej przełomowymi misjami swoich czasów. Przykładami takich misji może być Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) lub europejska misja lecąca w kierunku Jowisza – JUICE.

Dlaczego misje kosmiczne często są opóźnione?

Ważnym elementem takich misji jest rozwój nowych technologii. W momencie planowania misji, na jej wstępnym etapie, wiele z nich po prostu nie istnieje. Oznacza to, że musimy je dopiero opracować w trakcie prac nad projektem. Oczywiście istnieją obiektywne przesłanki, pozwalające sądzić, że dane rozwiązanie jest osiągalne, ale do finalnego, działającego produktu, jest jeszcze daleka droga.

Można to porównać do ucznia idącego do trzeciej klasy szkoły podstawowej. Powiedzenie na tym etapie, że za kilkanaście lat będzie rozwiązywał równania fizyki kwantowej, jest dość ryzykowne. Nie jest to niemożliwe. Przecież może kontynuować edukację, dostać się na studia fizyczne i pisać pracę licencjacką właśnie z teorii kwantowej.

Ale pomiędzy tym momentem a trzecią klasą, jeszcze długa i wymagająca droga, która wcale nie musi doprowadzić trzecioklasisty na wydział fizyki. Tak pojawia nam się pierwsze konkretne ryzyko związane z rozwojem technologii. Czasami robiąc coś nowego, możemy trafić na wyzwania, o których nie mieliśmy prawa wiedzieć, planując misję. Bo zwyczajnie nikt przed nami tego nie robił. Są to przeszkody jak najbardziej możliwe do pokonania, ale zwykle wymagają dodatkowego czasu, a wraz z nim również dodatkowych pieniędzy.

Inżynieria detektywistyczna

Gdy ktoś – agencja rządowa, firma komercyjna – wydają miliardy euro na misję kosmiczną, urządzenia muszą być niezawodne. A przecież środowisko kosmiczne radykalnie różni się od tego ziemskiego. W dodatku po starcie nie mamy za wiele możliwości naprawienia błędów. To sprawia, że konieczne jest przeprowadzenie ogromnej liczby prób i testów jeszcze przed startem rakiety.

Harmonogram projektu zakłada oczywiście odpowiedni czas na przeprowadzenie wszystkich testów, łącznie z pewnym zapasem na nieprzewidziane sytuacje. Mimo to, gdy pojawi się problem, coś nie zadziała, tak jak powinno, albo nagle jakiś element ulegnie uszkodzeniu, musimy wówczas poznać dokładną tego przyczynę. Uzyskać jak najbardziej szczegółowe wyjaśnienie procesu, jaki doprowadził do błędu. Dowiedzieć się, co zrobiliśmy źle i co najważniejsze – co zrobić, by taki wypadek nie miał miejsca na orbicie.

Zamiast historii jest fiasko. Pierwszy start rakiety kosmicznej z terytorium Europy zakończył się niepowodzeniem

9 stycznia 2022 roku późnym wieczorem z portu kosmicznego w Wielkiej Brytanii wystartowała misja kosmiczna Start Me Up. Z powodu niewyjaśnionej jeszcze „anomalii”, nie udało się zrealizow...

Inżynier rozwiązujący taki problem staje się śledczym, który analizuje dokładnie całe zajście i podobnie jak w powieści kryminalnej, trudno ocenić ile czasu zajmie śledztwo. Bywa że odpowiedź jest oczywista i błąd dostrzegamy natychmiast. Ale innym razem dojście do prawdy jest skomplikowane i wymaga wielu prób i pomiarów, które nie były zaplanowane, a które trzeba wykonać, by mieć pewność, że docelowa konstrukcja będzie działać bezawaryjnie wiele lat.

Kosmiczne prawo Murphy’ego

Można by się zastanowić, czy cały ten proces rozwoju niezawodnego, przetestowanego pod każdym względem urządzenia, ma sens. W końcu jest to kosztowne i czasochłonne. Czy nie taniej byłoby zbudować coś szybciej, ale w kilku egzemplarzach i wysłać trzy może cztery takie same satelity z nadzieją, że któryś z nich zadziała?

Ten model został już przetestowany przez Związek Radziecki wiele lat temu. Z tych doświadczeń można wysnuć jeden wniosek – jeżeli coś może pójść nie tak, to na pewno pójdzie. ZSRR wysłało wiele misji eksploracyjnych, ale większość finalnie nie dostarczyła danych naukowych z powodów awarii na różnych etapach misji.

Dużo nie znaczy lepiej

Z drugiej strony coraz popularniejszym hasłem w branży staje się ostatnimi czasy “Space 4.0”. Koncepcja produkowania przez wielkie firmy satelitów taniej i szybciej. Takie satelity można wynosić częściej i nawet awaria jednego z nich nie powoduje tak ogromnych strat jak by to było w przypadku większych misji.

Takie podejście ma jednak swoje ograniczenia. Niska orbita okołoziemska jest przyjaznym miejscem do tego typu prototypownia. Satelita jest chroniony przed promieniowaniem przez magnetosferę Ziemi, koszt wystrzelenia jest akceptowalny, Ziemia jest na tyle blisko, że komunikacja radiowa nie wymaga dokładnego pozycjonowania satelity, a do nawigacji na orbicie można użyć systemu GPS, który znamy z nawigacji w naszych telefonach.

Porażka nie wchodzi w grę

Jednak gdy mówimy o misjach w bardziej odległe rejony, czy to w stronę Księżyca, czy też innych planet Układu Słonecznego, wszystko się komplikuje. Nagle zagraża nam większy poziom promieniowania, które ma istotny wpływ na elektronikę. Zwłaszcza na komercyjne komponenty elektroniczne, chętnie wybierane w projektach Space 4.0. Są one dużo tańsze od komponentów kosmicznych, jednak nie są przystosowane do radzenia sobie ze skutkami promieniowania.

Ponadto komunikacja z Ziemią zaczyna wymagać precyzyjnego ustawienia anteny w stronę naszej planety, a przy okazji pojawiają się istotne opóźnienia w transmisji danych. Wisienką na tym kosmicznym torcie jest czas. O ile w przypadku niskiej orbity okołoziemskiej, od startu rakiety do rozpoczęcia realizacji zadań przez satelitę mogą minąć pojedyncze dni, a nawet godziny, o tyle lot w stronę Marsa trwa około pięciu miesięcy, a w kierunku Jowisza nawet osiem lat.

Czy naprawdę warto ryzykować, czekanie osiem lat, aby po tym czasie dowiedzieć się, że coś zrobiliśmy źle i trzeba zacząć wszystko od nowa? W takich misjach nie ma miejsce na ryzyko, że coś pójdzie nie tak. Tu wszystko musi być dopięte na ostatni guzik, ale żeby to podpinać potrzeba czasu i pieniędzy.

Oczywiście nie są to jedyne powody opóźnień startów wielkich misji kosmicznych. Ale pokazują, jak ciężko jest zrealizować projekt w założonym czasie i budżecie, gdy celem jest całkowicie niezawodne urządzenia zdolne przetrwać lata w tym trudnym środowisku.

A gdy jeszcze dochodzi do tego ludzkie życie, jak w przypadku planowanych misji księżycowych, to ważniejsza od wszystkich pieniędzy staje się stworzona przez NASA dewiza brzmiąca „po pierwsze bezpieczeństwo”.

Autorem artykułu jest mgr inż. Konrad Aleksiejuk, absolwent Politechniki Warszawskiej. Studiował na kierunku Automatyka i Robotyka, na Wydział Elektryczny. Od sześciu lat pracuje w Centrum Badań Kosmicznych PAN jako inżynier elektronik. Bierze udział wielu projektach kosmicznych. Pracował przy startującej w tym roku wysoko technologicznej misji ESA Proba-3. W tej chwili opracowuje zasilacz instrumentu DFP na misję mającą przechwycić kometę spoza Układu Słonecznego, czyli Comet Interceptor.