Dějiny vědy a techniky. 31. Použití komponentů elektrotechniky při výzkumu vesmíru

Transkript

1 Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Dějiny vědy a techniky 31. Použití komponentů elektrotechniky při výzkumu vesmíru Vypracováno dne: Zpracoval: Petr Vavroš (vav0040)

2 HISTORIE DRUŽICE Družice je zařízení vypouštěné na oběžnou dráhu. Na oběžnou dráhu vynese družici raketoplán nebo raketa a pak jí v požadované výšce vypustí. Protože je na oběžné dráze gravitace družice neulétne do volného prostoru a pomalu krouží kolem Země. Družice se během obletů nepatrně přibližuje, proto je nutné občas družici vrátit zpátky do bezpečné výšky, jinak by shořela v atmosféře. Družice mohou mít různou velikost a mohou být stavěny pro různé účely, ať už pro experimentální, armádní nebo užitkové. Jsou družice které se používají pro mapování zemského povrchu (Envisat, Landsat, Earthobserving), na pozorování a předpověď počasí (Meteosat), Pro přenos televizních kanálů (Astra), pro mobilní komunikaci a jiné komunikační systémy (Iridium, Intelsat), na sledování kosmu (Hubble Space Telescope), na tajné armádní účely (špionážní družice) a v neposlední řadě na různé vědecké účely (Kosmos, Explorer, Interkosmos). Svojí družici si vypustila většina států, dokonce i naše Česká republika vypouští od roku 1978 svou magnetometrickou družici Magion (již bylo vypuštěno 5 družic Magion). Družice Sputnik 1 Na počátku padesátých let dosáhla raketová technika v SSSR takové úrovně, že se začalo uvažovat o vypuštění umělé družice Země. V té době však nebyly vědomosti o fyzikálních vlastnostech horních vrstev atmosféry a kosmickém prostoru v okolí Země příliš velké. Chyběly také konstrukční zkušenosti z hermetizací družice, zabezpečení jejího tepelného režimu v kosmických podmínkách, zajištením napájení přístrojů elektrickou energií atd. Série prvních umělých družic měla tedy prakticky vyřešit tyto problémy. Požadavky na první družici Země Družice musí být maximálně jednoduchá a spolehlivá. Tvar družice musí být sférický, aby bylo možné s velkou přesností měřit hustotu atmosféry při neorientovaném letu po dráze kolem Země. Družice musí vysílat nepřetržitě nejméně na dvou frekvencích s dostatečným výstupním výkonem. Pro vypracování metod měření parametrů dráhy pomocí radiolokátorů je třeba upevnit na nosnou raketu koutové odrážeče. Napájení palubní aparatury družice zabezpečit chemickými zdroji elektrické energie, schopnými zásobovat přístroje energií po dobu až tří týdnů Umístění družice na nosné raketě a její oddělení zajistit tak, aby bylo dosaženo spolehlivého oddělení družice a rozevření antén. Rádiové stanice družice s výkonem 1 W budou pracovat na frekvencích kolem 20 a 40 MHz a předávat údaje z teplotního a tlakového čidla změnou délky vysílaných signálů a délky pauzy mezi nimi. Start musí zabezpečit praktickou prověrku procesů dopravy družice na dráhu a oddělení od nosné rakety. Dále start poslouží k vypracování rádiových a optických - 2 -

3 metod měření drah družice. Nakonec umístěním družice na oběžnou dráhu se prověří principy tepelné regulace a hermetizace v podmínkách kosmického prostoru. Konstrukce družice Družici tvořila hermetická schránka kulového tvaru s vnějším průměrem 580 milimetrů. Schránka byla vyrobena z hliníkové slitiny a tvořily ji dvě polokoule. Okraj každé polokoule byl zakončen stykovým prstencem; hermetizace bylo dosaženo vložením vakuové těsnicí gumy do kruhového vybrání jednoho z prstenců. Zadní polokoule současně sloužila jako vyzařovací povrch systému tepelné regulace. Hermeticky uzavřená schránka družice byla naplněna bezvodým dusíkem o tlaku 0,13 MPa. K plnění dusíku se použilo speciálního ventilu a hrdla se zátkou a gumovým těsněním. Uvnitř družice byla umístěna následující aparatura: Blok chemických zdrojů elektrické energie, vysílací aparatura, ventilátor a difuzor systému tepelné regulace, přepínací zařízení, čidla teploty a tlaku, kabelová síť. Vysílací aparaturu tvořily dva vysílače, osazené elektronkami (polovodiče mohly být ovlivněny radiací). Na každé z obou frekvencí se vysílaly telegrafní signály o délce od 0,2 do 0,6 s. Jeden vysílač pracoval v době přestávky druhého. Anténní systém tvořily čtyři pruty; dva měly délku 2,4 m, další dva délku 2,9 m. Pruty byly umístěny na izolátorech. Správné nastavení úhlu antén po oddělení od posledního stupně rakety zajistil pružinový mechanismus. Při uzmístění na posledním stupni byly antény složeny tak, aby bylo možné družici zakrýt kónickým aerodynamickým krytem o vrcholovém úhlu 40. V této poloze byly antény drženy osmi západkami. Po oddělení družice od nosné rakety se úhel mezi anténami, umístěnými proti sobě, zvětšil na 70. Tím se dosáhlo nejlepšího vyzařovacího diagramu anténního systému. Napájení vysílačů a systému tepelné regulace se po uvedení na dráhu kolem Země zajišťovalo spínacím zařízením, které seplo pólový kontakt v okamžiku oddělení družice od posledního stupně nosné rakety. Průběh letu Raketa s první družicí Země startovala 4. října 1957 ve h moskevského času. Po oddělení družice od nosné rakety začaly pracovat vysílače a na posledním stupni rakety se rozevřel koutový odrážeč, jehož pomocí byl sledován pohyb rakety. Pozorování po prvních pěti obězích ukázala, že signály družice jsou dobře slyšitelné. Doba oběhu družice činila 96,2 min., sklon oběžné dráhy k rovině rovníku 65 a výška km. Určování parametrů dráhy posledního stupně nosné rakety probíhalo do konce listopadu Při letu první družice se sledoval koeficient pohlcování rádiových vln v ionosféře a vliv ionosféry na šíření rádiových vln. Také optická pozorování dovolovala určit parametry dráhy družice i posledního stupně nosné rakety. Optických pozorování se používalo k upřesňování vypočtených parametrů dráhy a k předpovědi přeletů družice. Doba existence družice se určovala. podle změn oběžné doby. V důsledku tření o atmosféru se doba oběhu družice na počátku letu zmenšovala o 1,8 s za 24 hodin (nebo po 15 obězích kolem Země). První družice setrvala na dráze kolem Země 92 dny a - 3 -

4 uskutečnila oběhů. Dne 4. ledna 1958 vstoupila do hustých vrstev atmosféry a zanikla. Družice Explorer I Explorer-I, oficiálně známý jako satelit 1958 Alpha, byl první americkou družicí kolem Země. Byla vyslána jako součást amerického programu pro Mezinárodní geofyzikální rok v letech Byla navržena a postavena v Laboratoři tryskového pohonu (JPL) Kalifornského technologického institutu pod vedením dr. Williama H. Pickeringa. Přístroje navrhl a sestrojil dr. James Van Allen z univerzity v Iowě. Vědecké přístroje Geiger-Müllerův detektor - detekce kosmického záření Odporové detektory: měření eroze materiálu působením dopadu mikrometeoritů Akustický detektor: detekce dopadu mikrometeoritů pomocí mikrofonu Vybavení družice Explorer-I byl vybaven Geiger-Müllerovým přístrojem pro detekci kosmického záření. Přístroj ho zaznamenával zhruba 30krát za sekundu. Někdy naměřil předpokládanou intenzitu záření, ale někdy překvapivě zaznamenal nulovou hodnotu. Vědci z Iowy pod vedením Van Allena si všimli, že nulové hodnoty jsou naměřeny vždy ve výšce přibližně 2000 km nad Jižní Amerikou. Při průletech ve výšce 500 km družice měřila očekávanou hodnotu záření. Pozdější mise Exploreru-III ukázala, že přístroj na první družici byl ve výšce 2000 km zmatený příliš silnou radiací, která pocházela z pásu nabitých částic, zachycených magnetickým polem země - tzv. Van Allenovým radiačním pásem. Sondy Sondy jsou používány pro výzkum vesmírných těles a hlavně planet v naší sluneční soustavě. Od počátku šedesátých let již bylo vypuštěno stovky sond. Sondy jsou používány pro výzkum vesmírných těles a hlavně planet v naší sluneční soustavě. Od počátku šedesátých let již bylo vypuštěno stovky sond. Sonda je velmi složité a specifické zařízení, které musí být připraveno na podmínky, ve kterých má pracovat. Proto se často stávalo, že let byl neúspěšný. Sonda je většinou napájena z akumulátorů, které jsou dobíjeny ze solárních panelů. Pro svou práci má sonda k dispozici celou řadu citlivých přístrojů a detektorů (kamera, magnetometr, spektrometry, spektrografy, radary...) záleží na účelu sondy. Sondy pak mohou být různého typu, některé sondy prozkoumávají atmosféru určité planety a krouží na oběžné dráze, další zkoumají tělese která prolétávají kosmickým prostorem (komety, asteroidy), také jsou sondy které s součástí z nichž mají k dispozici průzkumného robota nebo sondu- např. sondy používané na průzkum marsu nebo venuše

5 Sonda Luna Automatická meziplanetární sonda ze Sovětského svazu, z programu Luna, která v roce 1970 poprvé pro SSSR dokázala dopravit z Měsíce vzorky měsíční horniny. Sonda Ranger Sonda k Měsíci (tvrdý dopad na povrch) Obsahovala mj.panely slunečních baterií, chemické baterie s výdrží na 9 hodin letu, televizní aparaturu, dvě širokoúhlové a čtyři úzkoúhlé kamery

6 AKTUÁLNĚ IBM Blue Gene Superpočítač který umožní zkoumat vesmír po Velkém třesku Ohlédnout se miliardy let v čase, až k prvním okamžikům po zrození vesmíru, dokáže nejvýkonnější superpočítač v Evropě. Společný výzkumný projekt společností IBM a Astron poskytne astronomům na celém světě ojedinělý pohled, který až doposud umožňovaly jen přístroje na oběžné dráze. Vědci budou zkoumat počátky nejstarších objektů bezprostředně po vzniku vesmíru, všeobecně známému jako Velký třesk. Nejmodernější počítač IBM Blue Gene bude srdcem nového typu rádiového teleskopu, který vyvíjí nizozemská astronomická organizace Astron. Na rozdíl od současných observatoří, které pro zaměřování vzdálených galaxií používají velká optická zrcadla nebo rádiové paraboly, bude Astron využívat více než jednoduchých rádiových antén. Ty jsou rozptýleny po celém Nizozemsku a také v německé spolkové zemi Dolní Sasko. Blue Gene bude data ze všech antén kombinovat a interpretovat pomocí vysokorychlostních výpočtů. Síť zachytí signály vzdálené až třináct miliard světelných let od Země. To znamená, že se bude dívat do historie nejstarších hvězd a galaxií necelou miliardu let po Velkém třesku. Rádiové antény budou optickou sítí propojeny se superpočítačem, který se nachází ve výpočetním středisku Groningenské univerzity. Počítač bude zpracovávat obrovské objemy dat, zhruba 800 gigabitů za sekundu. To je srovnatelné se zpracováním informací z osmi set CD nebo dvaceti DVD za jedinou sekundu. LOFAR - nový evropský radioteleskop Nový evropský radioteleskop s názvem LOFAR (Low Frequency Array), který je nyní připravován v Holandsku a částečně v Německu, bude po dohotovení v průběhu dvou let největším radioteleskopem svého druhu na světě. Jeho samostatných nízkofrekvenčních antén bude rozmístěno v oblasti o průměru 350 km na severu Holandska a části Německa (viz obrázek). Jedna "stanice" radioteleskopu velikosti fotbalového hřiště bude tvořena více než stovkou samostatných antén. Radioteleskop LOFAR bude obsahovat více než 100 takovýchto stanic. Bude pracovat na nízké frekvenci 10 MHz. Jeho efektivní sběrná plocha dosáhne 1 kilometr čtvereční. Existující radioteleskopy pracují na frekvencích vyšších než 75 MHz. Mají pro to své důvody: zemská ionosféra velmi rušivě ovlivňuje rádiové vlny přicházející z kosmického prostoru a tím "deformuje" obraz vesmíru, který na jejich základě astronomové získají. Z tohoto důvodu bude LOFAR sledovat ionosféru a její vliv na "vzhled" pozorovaných objektů. Jedna část detektorů bude nepřetržitě pozorovat známé kosmické zdroje rádiového záření ve vesmíru a porovnáváním jednotlivých "obrazů" bude vypočítáván vliv ionosféry na rádiové vlny. Tyto informace využije superpočítač uprostřed řady - 6 -

7 radioteleskopů k "vyčištění" detailních pozorování radiových zdrojů zkoumaných další částí soustavy radioteleskopů. Tento "trik" umožní pomocí řady radioteleskopů LOFAR zahájit pozorování nejen známých zdrojů, ale objevovat i zdroje nové. Radioteleskop bude v průběhu pozorování znovu a znovu upřesňovat informace o stavu ionosféry, a tím zkvalitňovat astronomické údaje. Na vývoji radioteleskopu se podílela německá astronomická organizace Astron, Max Planck Institute pro radiovou astronomii, U. S. Naval Research Observatory a Massachusetts Institute of Technology s Haystack Observatory. Zahájení pozorování je naplánováno na rok 2006, kdy Slunce bude v minimu sluneční aktivity a klidná ionosféra urychlí vlastní "vzdělávací" proces radioteleskopu. Očekává se, že v roce 2008 bude radioteleskop LOFAR v plném provozu. Vědci očekávají mnoho nových objevů, protože radioteleskop LOFAR otevírá velkou neznámou oblast elektromagnetického spektra. Bude pracovat s rozlišením jedné obloukové vteřiny. Každá stanice bude detekovat radiový signál na frekvencích 10 až 240 MHz, digitalizovat získaná data a předávat je prostřednictvím sítě z optických vláken rychlostí 768 Gbit za sekundu do centrálního počítače. Počítač bude vyvinut ve spolupráci s IBM. Radioteleskop LOFAR je označován jako zařízení nové generace. Jeho výstavba bude stát asi 75 miliónů dolarů. Umožní astronomům nahlédnout miliardy let do minulosti vesmíru. Amálka, nejvýkonnější superpočítač v ČR Ústav fyziky atmosféry Akademie věd ČR (ÚFA) uvedl do plného provozu čtvrtou generaci superpočítače s názvem Amálka, který slouží pro náročné výpočty a numerické experimenty v rámci kosmického programu realizovaného v České republice. Čtvrtá generace Amálky představuje rozšíření stávajícího systému o 84 nejnovějších dvoujádrových procesorů Intel Xeon 5140 postavených na nejnovější mikroarchitektuře Intel Core. Rozšíření a optimalizace infrastruktury byly realizovány společností SPRINX Systems. Superpočítač Amálka, nejvýkonnější paralelní systém v ČR, je schopný provádět podobné výpočty jako jiné světové superpočítače, přestože byl pořízen za zlomek jejich ceny. Díky Amálce můžeme pracovat na vědeckých projektech celosvětového významu po boku institucí jako ESA či NASA. Amálka tak stojí například za zcela prvním modelem magnetického pole Merkuru či studiem bezsrážkového plazmatu, říká RNDr. Radan Huth, DrSc., ředitel ÚFA AV ČR. Za poslední dva roky zvládl počítač Amálka a tým Dr. Pavla Trávníčka mimo jiné: vysvětlit řadu procesů, k nimž dochází v magnetosféře Země a interpretovat pozorování družice Cluster II (ESA), vytvořit model magnetického pole Merkuru, který je svého druhu první na světě a který slouží pro plánování družicových misí BepiColombo a MESSENGER k této planetě

8 Díky nové konfiguraci bude Amálka zapojena mj. do těchto projektů: studium magnetických anomálií na Měsíci, které mají podobně jako zemská magnetosféra schopnost odstínit tok životu nebezpečného slunečního větru a jsou tak vhodným místem pro budování základen s lidskou posádkou. příprava klíčových misí k výzkumu Slunce jakými jsou Solar Orbiter a Solar Probe plánovaných na příští desetiletí. Superpočítač Amálka nyní obsahuje 84 dvoujádrových procesorů Intel Xeon 5140 (42 počítačů) a 192 původních jednojádrových procesorů Intel Xeon s frekvencí 2,8 GHz (96 počítačů). Amálka tak nyní ukrývá 360 plnohodnotných výpočetních jader, což představuje teoretický výkon 2,58 Tflops (2,5 biliónu operací v plovoucí desetinné čárce za sekundu). Praktický výkon pak záleží vždy na konfiguraci úlohy. Při jednom z testování Amálky se podařilo dosáhnout výkonu změřeného LINPACK 1,13 Tflops. Pro vlastní provoz počítače je velmi důležitý fakt, že přidáním dvojnásobného výpočetního výkonu vzrostly nároky na napájení pouze o 40 procent původního příkonu, čehož bylo dosaženo především díky vlastnostem nových procesorů Intel Xeon Dvoujádrové procesory řady Intel Xeon 5100 totiž přináší až o 135 procent lepší výkon až o 40 procent nižší spotřebu než předchozí generace serverových produktů společnosti Intel a překonávají tak konkurenční nabídky v desítkách reálných aplikací a standardních průmyslových benchmarcích, hodnotí přínos nových procesorů Evžen Pavlovský, Business Development Manager společnosti Intel. Jan Tomčík, ředitel SPRINX Systems, a.s., k uvedení superpočítače Amálka doplňuje: Těší nás, že jsme mohli jako jedni z prvních implementovat superpočítač založený na nejnovější serverové platformě, a tím pomoci vědeckému týmu UFA posílit svou pozici na světové špičce kosmického výzkumu. Příprava tohoto řešení určeného pro vědecký výzkum představovala více než tisíc hodin práce, které nyní budeme moci zúročit při dalších, komerčních projektech

9 POUŽITÉ ZDROJE