Jerzy Grygorczuk

Kluczowe problemy projektowania, modelowania i aplikacji autopenetratora kometarnego MUPUS

Abstract:

Kometarna misji Rosetta zrodziła potrzebę opracowania nowatorskiego penetratora gruntu obiektów ko­smicznych MUPUS. Zadaniem penetratora było wbicie się, za pomocą własnego napędu młotkowego, w war­stwy podpowierzchniowe jądra komety na głębokość około 40cm i zbadanie właściwości fizycznych materia­łu kometarnego, określając jego temperaturę, przewodnictwo cieplne, strukturę (porowatość) i wytrzymałość.

W pracy przedstawiono rozwiązanie, poparte analizami i symulacjami komputerowymi, jak w warunkach niewielkich zasobów przeznaczonych na system napędowy penetratora (masa O,3kg, pobór mocy 2W) i pracy urządzenia w niezwykle ciężkich warunkach (próżnia, temperatura -160°C, mikro-grawitacja) zbudować nie­zawodnie działający penetrator kosmiczny. Opracowany scenariusz wbijania na komecie we współpracy z lądownikiem PHILAE i zastosowane rozwiązania konstrukcyjne pokazały, że możliwe jest skuteczne wbija­nie się penetratora z własnym napędem młotkowym również w warunkach mikrograwitacji. Do tej pory żaden autopenetrator z tego typu napędem nie działał w relewantnych warunkach kosmicznych.

Autopenetrator wymagał obsługi i wspomagania, w związku z czym opracowano dodatkowy, złożony sys­tem mechaniczny zapewniający jego blokadę, zwolnienie i wysunięcie na odległość l m od lądownika, pro­wadzenie i wspomaganie wbijania oraz pomiar przyrostu zagłębienia. Przedstawiono wybrane rozwiązania własnych mechanizmów kosmicznych.

Praca urządzenia w warunkach próżni i w bardzo niskiej temperaturze wymagała wnikliwego doboru ma­teriałów i powłok na współpracujące części mechanizmów. Przeprowadzono własne testy trybologiczne w komorze próżniowej z różnie skojarzonymi materiałami i powłokami. Wyniki testów pozwoliły na zastoso­wanie właściwych skojarzeń materiałowych w mechanizmach urządzenia.

Proces wbijania autopenetratora MUPUS na komecie, dzięki zastosowaniu pomiaru przyrostu zagłębienia, przyczyni się do zbadania właściwości mechanicznych warstw podpowierzchniowych jądra kometarnego. Dotąd przeprowadzono kalibracyjne testy wbijania w różne materiały i dokonano analizy metody pomiaro­wej, zwracając uwagę na jej uwarunkowania interpretacyjne.

 Urządzenie MUPUS, składające się z autopenetratora i systemu wspomagającego (manipulatora), o łącz­nej masie 1,5kg, zostało zakwalifikowane na misję Rosetta po wykonaniu i pozytywnym przetestowaniu kilku modeli, z modelem lotnym włącznie, według procedur i standardów ESA.