a rosetta–philae sikere magyarok...

A ROSETTA–PHILAE SIKERE MAGYAROK RÉSZVÉTELÉVEL

A Rosetta és a Philae szondák összeszerelése az ESA technikai köz-pontjában (ESTEC) (forrás ESA).

Szalai Sándor a mûszaki tudomány doktora,a Wigner FK kutató professor emeritusa.1980 óta ûrkutatási mûszerek fejlesztôje,fôbb munkái: a Halley-üstökös VEGA szon-dáinak képfelvevô és követô rendszere, aPhobosz és Mars–96 több mûszere, a NASASzaturnuszt kutató Cassini szonda két mû-szere, az ESA MarsExpress, VénusExpress ésRosetta szondák több mûszere, jelenleg aBepiColombo és JUICE szondák plazmafizi-kai mûszerei. Kitüntetései: Állami Díj (1986),NASA (1998) és ESA oklevél (2004, 2009).

Szalai SándorWigner FK

Az Európai Ûrügynökség (ESA) június 1–3. között Bu-dapesten rendezte a Rosetta–Philae üstököskutatóûrmisszió záró konferenciáját. A fejlesztésben résztvevô MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, MTA Ener-giatudományi Kutatóközpont (EK), Budapesti Mûsza-ki és Gazdaságtudományi Egyetem, valamint az SGFTechnológia Fejlesztô Kft. ûrkutatói és mérnökeimunkájának ez komoly elismerése. Magyarok fejlesz-tették a leszállóegység két létfontosságú részét: a köz-ponti számítógépet és a tápellátó rendszert. A konfe-rencia Európa számos országából érkezett mintegy 80résztvevôvel, sûrû programmal, sok tudományos éstechnikai jellegû elôadással sikeresen lezajlott. A ku-tatók és a fedélzeti mûszerek, valamint szolgálati al-rendszerek készítôi részletesen beszámoltak a Nap-rendszer- és üstököskutatásban elért új tudományoseredményekrôl és a technikai-technológiai jellegûsikerekrôl is. A konferencia a tanulságokat összefog-laló Lessons learnt szekciójában elhangzott elôadásoka tapasztalatok levonásán túl jövôben alkalmazhatójavaslatokat is ismertettek.

A Rosetta–Philae leszállóegység jelentôs sikerétjelzi, hogy a Nemzetközi Asztronautikai Akadémia(IAA) Laurels for Team Achievement díját 2016-ban aleszállóegység nagy létszámú „csapata” kapta, amely-lyel a nagyszámú kutató és fejlesztômérnök több évesmunkáját ismerték el. Az átadó ünnepséget Bonnban,a német DLR ûrügynökség központjában tartottákfebruár 23-án, ahol a magyar fejlesztôket Balázs And-rás képviselte, aki a Philae leszállóegység hibatûrôközponti számítógépének (CDMS) fejlesztését vezette.A díjátadás alkalmából az IAA elnöke, valamint a DLRvezetôi méltatták a misszió sikereit. A DLR korábbivezetôje a projekt nemzetközi jellegét aláhúzva be-szédében külön megemlítette, hogy a leszállóegységigen bonyolult feladatot ellátó vezérlô szoftverét Ma-gyarországon fejlesztették még azelôtt, hogy az or-szág az ESA teljes jogú tagja lett volna. A március 15-inemzeti ünnep alkalmával Magyarország köztársaságielnöke megosztott Széchenyi-díjat adományozott azûrkutatás világtörténetében egyedülálló magyar mér-nöki teljesítményért, a leszállóegység mûszerei elké-szítése során végzett kiemelkedô munkájuk elismeré-

seként Apáthy Istvánnak, Balázs Andrásnak és Bán-falvi Antalnak.

A Rosetta misszió a nevét a rosette-i kôrôl kapta,amely három nyelven tartalmaz azonos feliratot(egyiptomi démotikus írással, ógörög nyelven ésegyiptomi hieroglifákkal). A Philae a Nílus szigete azasszuáni gát fölött, Egyiptomban. A ma Angliábantalálható philae-i obeliszk oldalán szintén hieroglif ésdémotikus írással egyiptomi és ógörög nyelvû felirattalálható. A hieroglif írást megfejtô francia Champol-lion a rosette-i kô és a philaei obeliszk feliratait együtttanulmányozva találta meg a megoldást, mindkét szö-vegben – hieroglifákkal írva – meglelte Ptolemaioszkirály és Kleopátra királynô nevét. Ezáltal a két lelet ahieroglifák megfejtésének a kulcsa lett. Maga a ro-sette-i kô 1802 óta a londoni British Museumban talál-ható, a Philae szigeti obeliszk pedig szintén Angliábanvan, felfedezôje szállította Kingston Lacy-ba. Az üstö-köskutató misszió a Naprendszer és az élet keletkezé-sének megfejtéséhez adhat kulcsot, ezért kapták azûrszondák nevüket e két egyiptomi leletrôl.

A leszállóegység „agyát”, a mûködését irányítószámítógépet (Command és Data Management Sys-tem – CDMS) a Wigner FK és az SGF Kft. fejlesztette.

322 FIZIKAI SZEMLE 2016 / 10

CDMS

Wigner FK és SGF Kft.

leszállóegység

A valós idejû, sokfeladatos szoftver és a hibatoleráns

Az egyik 32 m2 felületû napelemtábla nyitásának ellenôrzése az ESTEC-ben (forrás ESA).

A Rosetta és a Philae a Nap-szimulátort tartalmazó hô-vákuumkam-rában (ESTEC) (forrás ESA).

A megbízhatóság tesztelésének egyik eleme: a Philae ellenôrzésevibrációs asztalon (forrás ESA).

hardver teljes egészében magyar fejlesztésû. A BMESzélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék Ûr-kutató Csoportjának tagjai az MTA kutatóival együtt-mûködve a leszállóegység fedélzeti energiaellátó éstápelosztó rendszerének fejlesztésében vettek részt.Mindkét egység igen költséges, ténylegesen repülôhardvereit Németországban gyártották, és a magya-rok végezték azok bemérését és minôsítô tesztelését.Az MTA EK mérnökei és kutatói részvételével kétmûszer készült a SESAME kísérlet DIM pordetektora

és a ROMAP mûszeregyüttesSPM plazmadetektora.

A már összeszerelt szonda2003. január 11-re tervezett in-dítását az Ariane hordozóraké-ta mûszaki bizonytalanságaimiatt elhalasztották. Emiatt azeredetileg tervezett Wirtanen-üstökös helyett új célpontotkellett keresni. A 67P/Churyu-mov–Gerasimenko (további-akban 67P) üstökösre esett aválasztás. Az új célpontot aHubble-ûrteleszkóppal alapo-san tanulmányozta egy há-romtagú kutatócsoport, mely-nek egyik tagja Tóth Imre, azMTA Csillagászati Kutatóinté-zet munkatársa volt. Az 1969-ben felfedezett 67P üstökössok tekintetben hasonlít aWirtanen-üstökösre, egy kicsitnagyobb, magjának átmérôjemintegy 4 km, Nap körüli ke-ringési ideje 6,6 év. Az ESA2004. március 2-án indított ûr-

szondapárosa (Rosetta anyaszonda és a Philae leszál-lóegység) az ûrkutatás történetének világraszóló, sike-res programja, mivel most elôször sikerült hosszú idônkeresztül megfigyelni egy üstökös aktivitásának válto-zását a Naphoz közeli pályaszakaszon, valamint elô-

SZALAI SÁNDOR: A ROSETTA–PHILAE SIKERE MAGYAROK RÉSZVÉTELÉVEL 323

ször sikerült leszállni egy üstökösmag felszínén, és ott

A Philae tudományos mûszereinek elhelyezkedése, fantáziakép (forrás ESA).

COSACCometarySampling andCompositionExperiment (gáz-kromatográf és tö-megspektrométer):komplex szervesmolekulákat érzé-kel és azonosít.

CIVAComet Nucleus Infraredand Visible Analyser(kamerák, valamint inf-ravörös és látható tarto-mányú analizátor):mikrokamerái panorá-maképet készítenek ésspektrométere a felszíniminták összetevõit,szerkezetét ésfényvisszaverõdésiarányát vizsgálja.

PTOLEMYGázanalizátor akönnyû atomok(hidrogén, szén,nitrogén és oxigén)az izotóparányaimérésére.

APXAlpha Proton X-raySpectrometer (alfa-proton-röntgenspektrométer): azüstökösmag kémiaiösszetevõit és aNaphoz közeledveannak változásátvizsgálja.

SESAMESurface ElectricSounding andAcoustic Monitor-ing Experiment (afelszín elektromosés akusztikus elvenmûködõ mûszere):az üstökösmaganyagának mecha-nikai és elektromosparamétereit méri.

ROLISRosetta LanderImaging System(képfelvevõrendszer): közeliképeket készít aleszállás helyérõl.

SD2Sampling, drilling anddistribution subsystem(mintavevõ és -szét-osztó egység): 23 cmmélyrõl talajmintátvesz és elosztja a mû-szerek közt.

ROMAPRosetta LanderMagnetometer andPlasma Monitor(magnetométer ésplazmamérõ mû-szer): az üstökös-mag mágneses terétés a plazma környe-zetét méri.

MUPUSMulti-PurposeSensors for Surfaceand Sub-SurfaceScience (többcélúérzékelõ mûszer):a felszín és a fel-szín alatti talaj tu-lajdonságait méri.

CONSERTComet Nucleus SoundingExperiment by RadiowaveTransmission (a magot rádióhullá-mokkal vizsgáló mûszer): Rosettakeringõegység hasonló mûszerévelegyüttmûködve „átvilágítja” a magbelsõ struktúráját.

helyszíni méréseket végezni. A korábbi üstököskutatóûrmissziók vagy elszáguldtak az üstökös mellett, vagybelecsapódtak. A Halley-üstökös 1986-os napközelsé-ge idején hat szonda száguldott el az üstökös mellett: aGiotto 596 km, a Vega–2 8030 km, a Vega–1 8890 km,a Suisei 150 000 km, a Sakigake 7 millió km, az ICEpedig 30 millió km távolságban. A Giotto és a két Vegaszonda csupán alig háromórányi közeli megfigyeléstvégeztek a retrográd pályájú üstökös magjáról, miköz-ben az üstökös mellett körülbelül 300 ezer km/h se-bességgel elszáguldtak.

A Rosetta misszió tervezése 1993-ban kezdôdött, amagyar kutatók már az elején részt vettek ebben. Kez-detben két, 45 kg tömegû leszállóegységet terveztek:a NASA és CNES fejlesztésében a Champolliont és aNémetországban fejlesztendô Rolandot.

A NASA visszalépése után az ESA vezetése javasol-ta, hogy csak egy leszállóegység legyen, amely egye-síti a korábbi két változat tudományos céljait. Az újcélponthoz az átrepülési idô 8 helyett 10 év lett. Avárakozás egy éve alatt az ûrszonda mûszaki felépí-tésén lényegében nem változtattak, de a szoftverekegy részét át kellett írni, és a két üstökös tömegénekkülönbözôsége miatt a leszállóegység „lábait” is mó-dosították.

Annak érdekében, hogy a szonda az üstököst hosz-szabb idôn át közelrôl megfigyelje, azonos pályárakellett állítani az üstökös magjáéval. A jelenlegi indító-rakéták energiája nem elegendô ahhoz, hogy a Jupite-ren túlra nyúló pályájú 67P üstökös sebességét a Ro-setta szonda elérje. Ezért bolygók mellett elrepülve,azok gravitációs lendítô hatását kihasználva lehetettfelgyorsítani a Rosetta szondát. A tíz évig tartó repülé-se során tudományos mérésekre is sor került: 2008.szeptember 5-én a Steins, majd 2010. július 10-én a Lu-tetia mellett elrepülve a két kisbolygót vizsgálta közel-rôl. 2011. június 20-án hibernálták a Jupiter közeli pá-lya szakaszán, annak ellenére, hogy 64 m2 felületûnapelemtáblái vannak, mivel a szolgáltatott energianem tette lehetôvé a mûszerek és vezérlô számítógépmûködését. Csupán idôzítô órája mûködött, és néhánykritikus egység minimális fûtése volt bekapcsolva. ARosetta 10 éves bolygóközi repülése során 6,4 milliárdkm-t repült már, és 673 millió km távolságra volt aFöldtôl, amikor az elôre beprogramozott idôben, 2014.január 20-án felébredt. A szonda bekapcsolta szolgálatiegységeit, és elküldte elsô jeleit. Ezután sorozatos földipályakorrekciós parancsok hatására 2014. augusztus6-án az üstököshöz közeli pályára állt.

2014. november 14-én, 500 millió km-re a Földtôlmegkezdôdött a küldetés legizgalmasabb szakasza. A


Philae leszállóegység 22,5 km távolságból, 0,17 m/s

Az üstökös képe 2015. június 1-jén, amikor aktív gáz- és porkilövel-lések voltak (forrás ESA).

Az üstökös magja a Rosetta mag körüli pályára állásakor, a gáz- ésporkilövellések szerencsésen lecsökkentek (forrás ESA).

A Philae CIVA kameráival leszállás közben készített képek összemontírozva. A karikákkal a lábaklátható részei vannak jelölve a felszín hátterében (forrás ESA).

induló sebességgel, 7 órás ereszkedés után 0,35 m/ssebességgel az üstökös igen tagolt felszínére érkezett.A pályaszámításoknak megfelelôen a lábak az elôze-tesen kiválasztott 250 méter sugarú körben érték el afelszínt. Ám ekkor kezdôdtek a problémák, de azokvégül nem hiúsították meg a kitûzött fô feladatok vég-rehajtását. A tökéletes leszállást két berendezés meg-hibásodása hiúsította meg. A leszállást elôkészítô mû-veletek során kiderült az ADS (Active Descent Sys-tem) fúvóka meghibásodása, amely közvetlenül afelszínt éréskor a felszínhez szorította volna a leszál-lóegységet, amíg az Anchoring System (horgonyzórendszer) a talajba lövi szigonyát, amely a talajhozrögzítette volna a szondát. A talajt érés pillanatábanviszont sem a fô, sem a tartalék szigony nem lépettmûködésbe, mert a −100 °C alatti hômérsékleten tett10 évnyi ûrutazás után a pirotechnikai patronok nemlôtték ki a szigonyokat.

A Philae leszállóegység egy teljes értékû fizikai éskémiai laboratórium tíz tudományos mûszerrel, ame-lyek a Rosetta ûrszondával összekalibrált egyidejûmérések elvégzésére is alkalmasak. A mûszerek a kö-vetkezôk: kamerarendszer; α-p-X-sugárzási spektro-

méter; korszerû gázelemzô az elemi, molekuláris ésizotóp-összetevôk érzékeléséhez; infravörös mikrosz-kóp; felszíni akusztikai és hullámdetektor; permittivi-tásérzékelô; magyar fejlesztésû porrészecske-érzékelô;többfunkciós felszíni és felszín alatti érzékelô; mag-netométer; plazmatér-érzékelô; üstökösmaghullám-ér-zékelô; fúró, mintavevô és szétosztó berendezés.

A leszálláskor mért szeizmikus adatok vizsgálataazonban kimutatta, hogy a vékony felszíni poros hó-réteg alatt annyira kemény jégtömeg található, hogya szigonyok várhatóan meg sem tudtak volna kapasz-kodni. A tervek szerinti leszállóhelyen fordulaton-ként 6-7 napfényes óra lett volna, viszont a Philae-t –végleges pozíciójában – a 12,4 órás tengelyforgás so-rán csak 1,2 órán át érte napfény. Ez eredményezte,hogy közel 60 órás mûködés után elfogyott az ener-gia, és a szonda hibernált állapotba került. A Naphozközeledô üstökös felszínén a hômérséklet-emelkedéskövetkeztében a Philae képes volt 2015. április 25-énéletre kelni, és megkezdte a másodlagos tudományosküldetést. Az erôsebb napfény több energiát szolgál-tatott, és 2015. június 13-án újból rádiókapcsolatot lé-tesített a Rosetta ûrszondán keresztül a Földdel. Ez-után még további nyolc alkalommal kommunikált,

újabb tudományos adatokatis küldve. A rádióadók és-vevôk állapota folyamatosanromlott, az elsôdleges adómeghibásodása után, 2015.július 9-én a Philae már a tar-talék adóján küldte el utolsóadatcsomagjait. A fedélzetiszámítógép összességébentöbb tíz megabájtnyi adatotküldött a Földre, és a másod-lagos küldetés 2,5 hónapjaalatt is hibátlanul mûködött.A Philae a tudósok számáramég így is évekig tartó tudo-mányos elemzésre váró mé-rési adatokat továbbított telje-sen automatikusan.


A konferencián a kutatók többek között beszámol-

A Philae központi számítógépének szoftverfejlesztôi példánya, akártyákra szerelt kiegészítô rátétek a beágyazott processzor mûkö-dését kezelô billentyûzet és monitorillesztôk, valamint a PROM me-móriákat helyettesítô újraírható kis kártyák (saját fotó).

tak a pontos leszállóhely megtalálására tett erôfeszíté-sekrôl. Tudományos mûszerek (elsôsorban a magne-tométer és az üstökösmag átvilágítására kifejlesztettrádióberendezés, amelynek egységei részben a Roset-ta keringôegységen, részben a Philae leszállóegysé-gen voltak) mérési adatait elemezve sikerült behatá-rolni azt a területet, amelyen a végsô leszállás megtör-tént, ezt a területet a keringôegység kamerájának ké-peit vizsgálva fésülték át a Philae helyének meghatá-rozása céljából.

Ez utóbbi nagy felbontású közelképek információtszolgáltatnak az üstökösmag keletkezésérôl és a fel-színt formáló folyamatokról is. A simább területekenmegfigyelt repedéshálózatok illóanyagvesztésbôl éstermikus anyagfáradásból fakadó aprózódásra utal-nak. A durvább felületû szemcsés agglomerátumokméreteloszlásából következtetni lehet az üstökösmagkeletkezésének körülményeire, a Naprendszer kelet-kezésének legelsô fázisaira. A felszín tulajdonságairaannak dielektromos állandójának mérésébôl is követ-keztethetünk. Ilyen mérések alapján állítják a kutatók,hogy az üstökösmag összepréselt porból és jégbôl áll,amelyet szilárd héj burkol.

Több mûszer analizálta a felszín anyagának össze-tételét is. A jégen kívül komplex, szerves vegyületek-ben gazdag port sikerült kimutatni, amelynek összeté-tele jól modellezhetô a Földön is megszokott vegyüle-tek keverékeként. Kimutatták, hogy a keverék nemtartalmaz savakat, ként és aromás vegyületeket, vi-szont az élô anyag egyszerûbb építôkövei nagy való-színûséggel megtalálhatók benne. A leszállás során apordetektor felsô korlátot határozott meg a porfluxus-ra, továbbá mm-es méretû, rendkívül porózus szerke-zetû porszemcséket talált. A leszállóegység és a kerin-gôegység együttmûködésébôl származnak a mag bel-sô szerkezetére vonatkozó információink. A magotátvilágító rádióberendezés adataiból kitûnik, hogy amag kis skálán rendkívül porózus, viszont nagyobbüregeket nem tartalmaz. Sikerült pontosítani a jég éspor arányára, valamint a por lehetséges összetételérevonatkozó információkat is.

Az eredmények jelentôségét az egyik résztvevô ígyfoglalta össze: „Soha ezelôtt még nem szálltunk leilyen ôsi objektumra, amely a Naprendszer születésé-nek és korai fejlôdésének legrégebbi és talán legjob-ban megôrzött tanúja.”

A misszió 2016. szeptember 30-án ért véget, amikoris a Rosetta anyaszondát az üstökös magjára irányítot-ták, és közben igen közeli képeket tudtak készíteni ésa Földre küldeni.

Technikai részletek a központi számítógéprôl

A Wigner FK és az SGF Kft. által fejlesztett számítógép(CDMS) feladata a leszállóegység összes mûveleténekirányítása, beleértve a hosszú idôtartamú misszió so-rán a hasznos teher (tudományos mûszerek, fedélzetialrendszerek) ellenôrzése, továbbá a megközelítést

követôen a leszállóegység és az anyaszonda szétvá-lasztásának elôkészítése, a felszínre történô leszállásés felszínhez rögzítés vezérlése, valamint a hômérsék-let-szabályozás megoldása és energiaelosztás vezérlé-se az üstökösön végzett mûveletek során. A Philae aRosetta közvetítésével veszi a földi irányítás paran-csait, és végrehajtja azokat. Gyûjti, majd visszaküldiaz alrendszerek és a tudományos mûszerek által mértadatokat. A fedélzeti számítógép a leszállóegységegyik legkritikusabb eleme, mivel meghibásodása aküldetés végét jelentette volna. A legfôbb tervezésiszempont az volt, hogy a fedélzeti számítógép a funk-cionális alrendszerek meghibásodásának bármelykombinációja esetén is funkcióvesztés nélkül tudjaellátni feladatait. Mivel a küldetés során gyors és köz-vetlen földi beavatkozásra a jelentôs jelterjedési idômiatt nincs lehetôség, a számítógépnek autonóm mó-don kell felismernie, ha egy egység hibásan mûködik,és azt – egyidejûleg aktiválva a megfelelô tartalékrendszert – ki kell iktatnia. Az aktuális elsôdleges pro-cesszor (DPU) a pillanatnyi állapotát leíró kritikus


adatait (változók, paraméterek, hivatkozások) – ame-

A hibatoleráns számítógép tényleges repülô példányának processzor- és órajelgenerátor-kártyái(saját fotó).

lyek ahhoz szükségesek, hogy a másodlagos (tartalék)processzor ott tudjon folytatni egy megkezdett folya-matot, ahol az elsôdleges befejezte – meghatározottidônként elmenti a másodlagos processzorba. A má-sodlagos processzor ezeket az adatokat veszi alapulegy esetleges szerepcsere esetén. A DPU megvalósítá-sára a kis fogyasztású, ûrminôsítésû és sugárzásállóHarris RTX2010 processzort választottuk. Ez a 16 bitesprocesszor a Forth programozási nyelvre optimalizáltstruktúrájú. A Forth ma már feledésbe merült verem(stack) orientált programozási nyelv. A nyelv két stac-ket használ, az egyiket az adatok tárolására, a másikat

az utasítás végrehajtáshoz. Azaritmetikai kifejezéseket RPN(Reverse Polish Notation) szin-taxissal kell megadni, amely-nek lényege, hogy az adato-kat a mûveleti sorrend szerinta verembe kell írni, a szüksé-ges mûveletet meghívva azeredmény az adatverem tete-jére kerül. A mûködtetô prog-ram tömörítve, négyszeresenkerült tárolásra az újraírhatómemóriában (EEPROM), azindítási és öntesztelést végzôprogram csak olvasható me-móriából (PROM) fut, és az el-sônek talált hibátlan mûköd-tetô programot a RAM memó-riából futtatja. Az EEPROM ésRAM memóriák Hamming kó-dolású hibavédelemmel van-nak ellátva.

A CDMS feladatainak ütemezésére, párhuzamos fut-tatására saját fejlesztésû, valós idejû, preemptív, több-feladatos operációs rendszerre volt szükség. A földi pa-rancsok számának csökkentésére a leszállóegység mû-veleteinek irányítása statikus és dinamikus mûködéstleíró paramétertáblák segítségével történt. A táblázato-kat még a leszállás elôtt fel lehetett tölteni, és a körül-mények pontosabb ismerete alapján a megfelelô mû-ködtetô szekvenciát földi paranccsal lehetett indítani.

✧A Rosetta projektben való részvételünket a MagyarÛrkutatási Iroda támogatta, amelyért ezúton fejezemki köszönetünket.


a rosetta–philae sikere magyarok...

Documents