Integracja, start i rozmieszczenie na orbicie

Misja EagleEye jest przełomowym projektem z punktu widzenia polskiego sektora kosmicznego — satelita waży tyle, ile wszystkie pozostałe polskie satelity wyniesione dotychczas łącznie. W ramach tej misji wykorzystany zostanie nasz teleskop SOP200, który umożliwia obrazowanie powierzchni Ziemi z rozdzielczością przestrzenną około 1,75 m w zakresie światła widzialnego (VIS) oraz bliskiej podczerwieni (NIR) z wysokości 500 km.

Projekt jest realizowany od początku 2020 roku i wkrótce osiągnie swój kulminacyjny moment – wyniesienie satelity na orbitę, planowane na połowę 2024 roku. W trakcie realizacji projektu zespół inżynierski przeprowadził szereg kampanii testowych – testy wibracyjne, termiczno-próżniowe oraz testy stratosferyczne – których celem było potwierdzenie poprawności przyjętej konstrukcji oraz weryfikacja wprowadzonych ulepszeń.

Integracja

Integracja to etap projektu następujący po fazie projektowej, którego celem jest połączenie wszystkich zaprojektowanych i wyprodukowanych komponentów w jeden działający system.
Proces integracji jest przeprowadzany wielokrotnie w trakcie realizacji projektu (o nazewnictwie modeli pisaliśmy wcześniej TUTAJ), jednak dla uproszczenia skupmy się na integracji modelu lotnego (flight model).

Integracja modelu lotnego (flight model) zasadniczo różni się od integracji przeprowadzanej na wcześniejszych etapach. Ponieważ jest to ostatni raz, kiedy system jest składany przed lotem, wymaga znacznie większej precyzji i ostrożności. Często jest to pierwszy moment, w którym rzeczywiste, lotne wersje komponentów i podsystemów są montowane razem. Nawet jeśli wcześniej przygotowano bardzo dokładne makiety (np. modele strukturalne lub termiczne), mogą pojawić się niewielkie różnice w wymiarach lub interfejsach mechanicznych — zarówno z powodu niedokładności produkcyjnych, jak i zmian projektowych, które nie zostały w pełni uzgodnione.

Jest to również pierwszy moment, w którym podłączane są właściwe wiązki kablowe, co może generować dodatkowe wyzwania. Ponieważ wcześniej nie wszystkie były ze sobą połączone, mogą pojawić się problemy z ich prowadzeniem. Wiązki muszą być także solidnie przymocowane do struktury w dedykowanych miejscach (interfejsach mechanicznych) lub przyklejone specjalną taśmą Kapton. Konieczne jest również zabezpieczenie ich przed uszkodzeniem spowodowanym drganiami. Osiąga się to zarówno poprzez owinięcie wiązek w miejscach narażonych na kontakt dodatkową warstwą taśmy, jak i zabezpieczenie ostrych krawędzi struktury. Dobrą praktyką jest również stosowanie fazowań (chamferów) w miejscach, w których przewiduje się prowadzenie wiązek kablowych.

Dodatkowo należy sprawdzić działanie wszystkich zaplanowanych funkcji urządzenia oraz upewnić się, że między elektroniką a strukturą nie występują zwarcia. Zwarcia mogą negatywnie wpłynąć na działanie elektroniki, a w skrajnych przypadkach doprowadzić do jej całkowitego uszkodzenia, co może skutkować utratą części funkcjonalności urządzenia, a nawet niepowodzeniem całej misji.

Ponieważ pojazd nie będzie już nigdy ponownie rozmontowywany, niezwykle ważne jest upewnienie się, że wszystkie śruby teleskopu zostały dokręcone z odpowiednim momentem dokręcania. Dodatkowo są one zabezpieczane specjalnym klejem, który wzmacnia połączenie i zapobiega jego poluzowaniu pod wpływem przeciążeń oraz drgań występujących podczas startu rakiety.

Po złożeniu całego obiektu, który ma zostać wyniesiony na orbitę, przeprowadzane są końcowe testy funkcjonalne potwierdzające poprawność integracji. Następnie wykonywane są testy wibracyjne oraz termiczno-próżniowe, o których więcej można przeczytać TUTAJ. Dopiero po ich zakończeniu pojazd trafia na miejsce startu, gdzie jest integrowany z rakietą. Inżynierowie montują na satelicie adapter wraz z tzw. pierścieniem separacyjnym (deployment ring), który jest bezpośrednio połączony z rakietą lub z elementem dostarczonym przez firmę odpowiedzialną za system separacji — czyli mechanizm zwalniający satelitę w odpowiednim momencie lotu rakiety.

Start rakiety

Teleskop SOP200 zostanie wyniesiony na orbitę już w połowie tego roku na pokładzie rakiety Falcon 9 firmy SpaceX. Jest to rakieta, której pierwszy stopień może być wykorzystywany wielokrotnie (rekordowy egzemplarz wykonał dotychczas ponad dwadzieścia startów i lądowań). Teleskop Scanway jest zintegrowany z satelitą EagleEye, którego budowa realizowana jest przez konsorcjum kierowane przez Creotech Instruments S.A. — firma ta odpowiada za opracowanie i dostarczenie całej platformy satelitarnej. W projekt zaangażowane jest również CBK PAN (Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk), które dostarczyło zaawansowany komputer pokładowy do przetwarzania danych pochodzących z teleskopu.

Teleskop zostanie wyniesiony na orbitę w ramach misji Transporter-11, czyli wspólnego lotu z innymi małymi satelitami. W takim modelu koszt wyniesienia ładunku jest dzielony pomiędzy operatorów wszystkich satelitów, które znajdują się na pokładzie rakiety. Podczas poprzednich misji z serii Transporter jednocześnie na orbitę trafiło nawet 143 satelity.

Start rakiety odbędzie się z bazy wojskowej Vandenberg w Kalifornii. Satelita EagleEye trafi na orbitę heliosynchroniczną SSO (więcej o typach orbit można przeczytać TUTAJ) o docelowej wysokości około 350 km nad powierzchnią Ziemi. Satelita wraz z teleskopem zostanie początkowo oddzielony od rakiety na wyższej orbicie, a następnie — dzięki silnikowi zainstalowanemu na pokładzie satelity — osiągnie docelową wysokość poprzez obniżenie orbity. Praca na niższej orbicie umożliwi wykonywanie obrazów powierzchni Ziemi z większą dokładnością i wyższą rozdzielczością, co pozwoli dostrzec na zobrazowaniach więcej szczegółów.

Orbita heliosynchroniczna (SSO) jest rodzajem niskiej orbity okołoziemskiej (LEO), której szczególne nachylenie i właściwości sprawiają, że klasyfikuje się ją jako osobny typ orbity. W odróżnieniu od wielu standardowych orbit LEO, gdzie ruch satelity odbywa się głównie w kierunku z zachodu na wschód, na orbicie SSO satelity poruszają się z północy na południe (orbity o dużym nachyleniu). Dobór wysokości orbity oraz jej nachylenia determinuje liczbę okrążeń Ziemi wykonywanych przez statek kosmiczny w ciągu doby. Charakterystyczną cechą orbity SSO jest to, że satelita przelatuje nad tym samym miejscem na Ziemi zawsze o tej samej średniej lokalnej porze słonecznej. Ma to szczególne znaczenie w obserwacji Ziemi, ponieważ zdjęcia wykonywane są w bardzo podobnych warunkach oświetleniowych. Na przykład cienie rzucane przez budynki mają praktycznie tę samą długość, a ich zmiany mogą wskazywać na różnice w wysokości obiektów — np. wynikające z postępu prac budowlanych.

Deployment

Około godzinę po starcie rakiety rozpocznie się separacja (deployment) satelitów od rakiety.
Satelita EagleEye został już wcześniej zintegrowany z systemem separacji, dostarczonym przez zewnętrzną firmę. Bezpośrednio po integracji przeprowadzono końcowe testy funkcjonalne, które potwierdziły prawidłowe działanie wszystkich podsystemów satelity.

W momencie startu rozpoczyna się tzw. faza LEOP (Launch and Early Orbit Phase). Jest to etap misji obejmujący zarówno wyniesienie satelity na orbitę, jak i oddzielenie go od rakiety, a następnie uruchamianie oraz testowanie wszystkich systemów pojazdu w pierwszych chwilach po osiągnięciu orbity.

Bezpośrednio po oddzieleniu od rakiety musi nastąpić tzw. detumbling, czyli ustabilizowanie orientacji satelity na orbicie. Tuż po separacji mogą występować chaotyczne ruchy obrotowe, które uniemożliwiają zarówno nawiązanie łączności, jak i pozyskiwanie użytecznych danych.
Dopiero po ustabilizowaniu ruchu możliwe jest nawiązanie połączenia z satelitą znajdującym się na orbicie.

Po wstępnej kontroli systemów operatorzy rozpoczną proces obniżania orbity satelity.
Po osiągnięciu docelowej wysokości około 350 km nad powierzchnią Ziemi, teleskop Scanway będzie mógł wykonywać zobrazowania z zakładaną rozdzielczością przestrzenną, ponieważ parametr ten w dużym stopniu (liniowo) zależy od wysokości orbity.

Operacje na orbicie

Po zakończeniu fazy LEOP, czyli po uruchomieniu podstawowych funkcji teleskopu, rozpocznie się fazę operacyjna misji. Teleskop umożliwi obserwację zmian zachodzących na powierzchni Ziemi — zarówno tych wynikających bezpośrednio z działalności człowieka, takich jak nowe inwestycje czy zmiany środowiskowe, jak i innych zjawisk, na przykład katastrof naturalnych. Dzięki danym porównawczym badacze będą mogli określać tempo zachodzących zmian, a odpowiednie służby szybciej reagować i oceniać skalę problemu.

W przypadku bardzo dużych katastrof naturalnych dane satelitarne mogą być jedynym źródłem informacji dostępnych dla służb ratunkowych, szczególnie gdy region dotknięty katastrofą zostaje odcięty od łączności. Taka sytuacja miała miejsce na przykład podczas erupcji wulkanu Hunga Tonga–Hunga Ha’apai w 2022 roku, kiedy wywołane przez nią tsunami zniszczyło podmorski kabel światłowodowy, odcinając państwo wyspiarskie Tonga od komunikacji z resztą świata.

Biorąc pod uwagę niestabilną sytuację polityczną w regionie i na świecie, posiadanie przez Polskę własnego systemu optycznego na orbicie zapewni większą niezależność oraz swobodę w wyborze obszarów przeznaczonych do obserwacji. Dodatkowo umożliwi to natychmiastowy dostęp do wszystkich danych, bez ograniczeń wynikających ze współpracy z partnerami zewnętrznymi.

Podsumowanie

Nadchodzący start misji EagleEye z naszym teleskopem pokazuje, że jesteśmy w stanie regularnie dostarczać złożone ładunki kosmiczne. Po sukcesie misji STAR VIBE oraz walidacji projektu optycznego wprowadzono kolejne usprawnienia, które doprowadziły do powstania finalnej wersji teleskopu dla misji EagleEye. W momencie startu będzie to największy polski optyczny ładunek kosmiczny wyniesiony na orbitę.