რა გვასწავლა მზის იალქანმა?

 რამდენიმე თვეა, დედამიწის ზედაპირიდან ძალიან მაღლა, ჩვენი მნათობის სხივებზე,  პლანეტური საზოგადოების (The Planetary Society) მზის იალქანი – ”LightSail 2” დალივლივებს. ის ორბიტაზე  2019 წლის 23 ივლისს გაიშალა და მას შემდეგ, დედამიწელ მეცნიერებს, მზის იალქნების კონტროლირებადი ფრენების შესახებ მნიშვნელოვან ინფორმაციას აწვდის. პურდუს უნივერსიტეტის მეცნიერმა, იუსტინ მანსელმა, კვლევის შედეგები კოსმოსური ფრენების მექანიკისადმი მიძღვნილ 30-ე შეხვედრაზე წარადგინა, სადაც აღწერილია მზის იალქანის ფრენის ტრაექტორია, მანევრირება, სიმაღლის კონტროლის სისტემა და ორბიტის ცვლილება.

დედამიწის ატმოსფერო მზის იალქანს ექაჩება

 ”LightSail 2” დედამიწის ე.წ. ”დაბალორბიტულ” ხელოვნურ თანამგზავრებთან შედარებით, გაცილებით უფრო დიდ სიმაღლეზეა. საერთაშორისო კოსმოსური სადგურის სიმაღლე, ზღვის დონიდან, დაახლოებით 400 კილომეტრია, ხოლო ”LightSail 2”-ის ორბიტის სიმაღლე 720 კილომეტრია. ამან მეცნიერებს საშუალება მისცა გამოეთვალათ, თუ რა ძალით მოქმედებს ატმოსფეროს სხვადასხვა სიმკვრივე მზის იალქნების ეფექტურობაზე. ამ გამოთვლებს ეფუძნება ხომალდის სივრცეში ორიენტაციის კონტროლის სისტემაც – მაქსიმალური სიჩქარის მისაღწევად საჭიროა იალქნის ქვედა ფენის გამართვა ატმოსფეროს მაღალ ფენებში, მზის გამოსხივების მართობულად, ხოლო დასამუხრუჭებლად – ატმოსფეროს დაბალ ფენებში ჩასვლა და, იალქნის გარე ზედაპირის მზისკენ მიმართვა. 100-წუთიანი ორბიტის განმავლობაში, ”LightSail 2” პერიოდულად დადემიწის ჩრდილშია ან მზის მიმართულებით მოძრაობს, რაც ჯამში 67 წუთს შეადგენს. ამგვარად, ხომალდის მაქსიმალური ეფექტურობის პერიოდი მხოლოდ 33 წუთია. აქედან 5 წუთი სასურველი ორიენტაციის მისაღწევ მანევრირებას ეთმობა. მაშასადამე, ”LightSail 2”-ის გადაადგილების სიჩქარეს განაპირობებს მომენტი, რომელიც 28 წუთის განმავლობაში მზის ოპტიმალური ფოტონური წნევის მეშვეობით მიიღწევა.

 მანსელი და მისი კოლეგები ”LightSail 2”-ის ორბიტულ მანევრირებას სხვასხვა რეჟიმში შეისწავლიან – მაშინ, როდესაც დედამიწიდან ხდება იალქნის ორიენტირების კონტროლი, და თავისუფალი ფრენის რეჟიმში, კონტროლის გარეშე. როგორც ყველა ობიექტი, მზის იალქანი დედამიწის გარშემო ელიფსურ ორბტაზე მოძრაობს და თავისუფალი ვარდნის რეჟიმშია. მონაცემების მიხედვით, თავისუფალი ფრენისას, ჩრდილში მყოფი ხომალდის ორბიტის ნახევარღერძი დღეში 34.5 მეტრით ვიწროვდება, მზის განათების პირობებში – 19.9 მეტრით, მაშინ, როდესაც კონტროლირებადი ფრენის დროს ნახევარღერძის სიგრძე დღეში 7.5 მეტრით იმატებს, რაც იმას ნიშნავს, რომ ასეთ რეჟიმში ”LightSail 2”-ის ორბიტული სიჩქარე იზრდება.

”LightSail 2”-ის ორბიტის ანიმაცია (იუსტინ მანსელი, პურდუს უნივერსიტეტი).

 ვიდეოზე ნაჩვენებია ”LightSail 2”-ის ორიენტაცია მზის მიმართ, 2019 წლის 24 სექტემბრის ერთი ორბიტის განმავლობაში. წერტილებს შორის შუალედები ინტერპოლაციითაა შევსებული. წითელი ხაზი მზის ადგილმდებარეობაზე მიუთითებს, ხოლო ლურჯი ხაზი ადგილობრივი მაგნიტური ველის მიმართულებას გვიჩვენებს. სანავიგაციო ბრძანება ”ბუმბული” ხომალდ ” LightSail 2”-ს მზის სხივებისკენ კიდით მიაბრუნებს და წითელი ხაზი იალქნის პარალელურია (90 გრადუსი მზის მიმართ); ბრძანება ”ძრავი” კი ნიშნავს, რომ ”LightSail 2”-ის იალქნების ქვედა მხარე მზის სხივების მართობულია, ისევე, როგორც წითელი ხაზი (0 გრადუსი მზის მიმართ).

 როგორც აღმოჩნდა, ამ სიმაღლეზეც კი (720 კმ ზღვის დონიდან) ატმოსფეროს სისქე იმდენად დიდია, რომ მზის იალქანის ორბიტული ენერგია, საბოლოო ჯამში, მაინც იკლებს. ირბიტული სიჩქარის ”ჩაქრობის” პროგრამული მოდელირების მიხედვით, ხომალდი გაშვებიდან ერთ წელიწადში, დედამიწის ატმოსფერში დაიწვება.  სწორედ ამის გამო, მომავალი მზის იალქნები კიდევ უფრო მაღალ ორბიტაზე განთავსდება, ან – მხოლოდ საპლანეტათშორისო მისიებში იქნება გამოყენებული; მაგალითად,  NASA-ს ხომალდი, ”დედამიწის ახლო ასტეროიდების სკაუტი” (NEA Scout) რაკეტა მატარებლის დახმარებით მთვარის ორბიტაზე გაიგზავნება, შემდეგ იალქნებს გაშლის და ასტეროიდისკენ გაემართება. მისი სანავიგაციო სისტემის პროგრამული უზრუნველყოფა ”LightSail 2”-ის მიერ შეგროვებულ მონაცემებზე იქნება დაფუძნებული.

 მისიის კონტროლის მონიტორინგის (planetary.org) მიხედვით ირკვევა, რომ ”LightSail 2”-ის დედამიწიდან უშორესი და უახლოესი ორბიტული წერტილების (შესაბამისად – აპოგეა და პერიგეა) სიმაღლე ასევე ციკლურად იცვლება. ამას ორი მიზეზი აქვს: დედამიწის არაიდეალური სფეროიდული ფორმა და მზის გარშემო მისი მოძრაობა.

 დედამიწის დიამეტრი ეკვატორზე 42 კილომეტრით უფრო დიდია, ვიდრე პოლუსებზე; ე.ი. ეკვატორთან გრავიტაცია უფრო ძლიერია. რის გამოც ხომალდი ორბიტაზე ისე მოძრაობს, როგორც ტანვარჯიშის რგოლი, ე.წ. ”ჰულა-ჰუპი” ადამიანის წელის გარშემო. ამასთან ერთად, მზესთან ახლოს (პერიასტრი) დედამიწის ორბიტაზე სინათლის წნევა იმატებს, ხოლო მზიდან უშორეს წერტილში (აპოასტრი) – მცირდება. გრავიტაციისა და სინათლის წნევის ამგვარი კომბინაცია, ორბიტის ელიფსის ფარგლებში, მზის იალქნიანი ხომალდის სახასიათო რყევებს განაპირობებს.

იმპულსის მართვა

 მზის იალქნების მისიებისთვის ერთ-ერთი ურთულესი გამოწვევაა იმპულსის მართვა. ამ მიზნით ხომალდი წრიული რგოლის ინერციის მომენტს იყენებს – ერთ ბორბალს, რომლის ბრუნვაც, მზის გამოსხივების მიმართ,  მის პარალელურ ან პერპენდიკულარულ  ორიენტაციას უზრუნველყოფს. ვინაიდანეს თითო ორბიტაზე მხოლოდ ერთხელ ხერხდება, შემდეგ ეტაპზე ხომალდი ”იძულებულია” ბორბალი საწყის პოზიციაზე, ელექტრომაგნიტური ბრუნვის წნელებით დააბრუნოს. წინა მისიებისაგან განსხვავებით, ”LightSail 2”-ზე ეს პროცესი, სპეციალური პროგრამის მეშვეობით, სრულად ავტომატიზებულია.

სიმძლავრის გენერაცია

 ”LightSail 2”-ს  მზის პანელები იალქნის მხოლოდ ერთ მხარეს აქვს. ”LightSail 1”-ს ისინი იალქნის ორივე მხარეს ჰქონდა, მაგრამ ინჟინრების გადაწყვეტილებით ის სფერული სარკეების ჯგუფით ჩაანაცვლეს, რაც უზრუნველყოფს ხომალდის მონიტორინგს დედამიწიდან, ლაზერის მეშვეობით, რითაც მისი ადგილმდებარეობა, ორიენტაცია და ორბიტული სიმაღლე დიდი სიზუსტით განისაზღვრება.

”LightSail 2”-ს მინი კომპაქტ-დისკი

 ”LightSail 2”-მა კოსმოსში მინი-DVD წაიღო, რომელზეც პლანეტური საზოგადოების წევრებისა და სპონსორების სიაა ჩაწერილი, აგრეთვე იმ პირების ფოტოები, რომლებმაც მონაწილეობა მიიღეს კამპანიაში ”გააგზავნე სელფი კოსმოსში” (“Selfies to Space”).

რა იქნება შემდეგ?

 ”LightSail 2”-ის მზის იალქანი სრულიად გადაფარავს მზის პანელებს, რაც მისიის ხარვეზადაა მიჩნეული. მისიის მართვის ჯგუფმა ამ ხარვეზის დაბალანსება ენერგიის დაზოგვის სისტემის მეშვეობით შეძლო, თუმცა გადაწყვეტილია, რომ შემდეგ აპარატებზე ეს ხარვეზი უნდა აღმოიფხვრას. ”LightSail 2”-ის საპროექტო ჯგუფმა პროგრამული უზრუნველყოფის სქემაში მზეზე დამიზნების სისტემა უკვე ჩაამატა. მართალია ეს სისტემა ორბიტის ”ჩაქრობის” კომპენსირებას იმდენად ეფექტურად ვეღარ უზრუნველყოფს, როგორც ჩართვა-გამორთვის მოდელი, სამაგიეროდ, მნიშვნელოვნად შეამცირებს წრიული რგოლის ინერციის მომენტის სატურაციას; მკვეთრად მოიმატებს ბატარეების დამუხტვის ხარისხიც, ხომალდის სივრცეში ორიენტირების ხარისხი და მანევრირების უნარი.

 მისიის საპროექტო ჯგუფი დიდ ყურადღებას დაუთმობს სურათების ხარისხის გაუმჯობესებასაც. სურათების გადაღების აუცილებლობის ტექნიკური მიზეზია მზის იალქნის მდგომარეობის, ფორმის, გაშლის ხარისხის, ზედაპირის სიჯანსაღისა და მანევრირების ეფექტურობის მონიტორინგის კონტროლი; გარდა ამისა, სურათები პროექტის მონაწილეებისთვისაც და უბრალოდ, რიგითი ადამიანებისთვისაც ესთეტიკური სიამოვნების მიმნიჭებელია.  სურათზე ნაჩვენებია ”LightSail 2”-ის მიერ გადაღებული ავსტრალია და ახალი გვინეა. ხომალდის გადაღებული ყველა დაუმუშავებელი სურათი შეიძლება იხილოთ ამ ბმულზე: https://planetary.s3.amazonaws.com/data/ls2/all.html , ხოლო დაუმუშავებელი აქ: https://www.planetary.org/explore/projects/lightsail-solar-sailing/lightsail-multimedia.html. და ბოლოს, ორბიტის სიმაღლის შემცირებასთან ერთად, მეცნიერები მზის იალქნიანი აპარატების დედამიწაზე შესაძლო დაბრუნების პოტენციალს განსაზღვრავენ. მონაცემები მეორე ჯგუფს გადაეცემა, რომელიც მზის იალქნების დაკეცვის, ორბიტიდან ”ჩამოღების” და ხელმეორედ გამოყენების საკითხებს შეისწავლის (სხვა კოსმოსური იალქნები).