Ruimtevaartuig

Mooie foto's maken de Maan, van verre planeten of sterrenstelsels is heel interessant, maar de camera's moeten wel de ruimte in. In de NASA tekening hiernaast zien we als voorbeeld de Voyager. Het oranje en paarse instrument bovenin de tekening (imaging) zijn de camera's. Eigenlijk vormen ze maar een klein onderdeel van het hele ruimtevaartuig.

Alles in en aan het ruimtevaartuig moet heel sterk zijn. Bij de start zit het in de neuskegel van de raket en de trillingen bij de start zijn enorm. Omdat voor elke kg massa veel stuwkracht van de raket nodig is, wil men de massa van het ruimtevaartuig zo laag mogelijk houden. Het moet dus licht en sterk zijn.
Tijdens de start wordt het ruimtevaartuig binnen enkele minuten blootgesteld aan het luchtledige van de ruimte. Alle lucht die nog in het ruimtevaartuig aanwezig is, moet snel kunnen ontsnappen, anders exploderen er onderdelen.
In de ruimte is het heel koud, bijna 200 graden onder nul. Vooral ruimtevaartuigen die de verre planeten gaan bezoeken moeten hier tegen kunnen. Ook is het ver weg van de zon veel donkerder.

bus
De meeste ruimtevaartuigen bestaan uit een centraal deel waarin de radioapparatuur, de computers, de accu's, de recorders, de klimaatregeling en de standregeling een plaats hebben. Dit gedeelte wordt in het Engels "bus" genoemd. Als de elektronica werkt, dan kan het in de bus zo warm worden dat er venstertjes open moeten. Die lijken op de luxaflex in huis. D.m.v bi-metaal veren worden ze automatisch open- en dichtgedaan. Als het koud is, moet er soms met elektrische elementen verwarmd worden. Meestal is de temperatuur in de bus z'n 20 graden boven nul, net als in de huiskamer. Dat komt omdat ruimtevaartuigen ook goed geïsoleerd zijn. Bovendien hebben ze ook nog bescherming tegen de inslag van micrometeorieten. 

energie
Een ruimtevaartuig heeft voor lange tijd elektrische energie nodig om alles te laten werken. Meestal zijn zonnepanelen voldoende. Op de missies naar Mars hebben ruimtevaartuigen meestal vier zonnepanelen. Naar de Maan, Venus en Mercurius waren zelfs twee panelen al voldoende. Op reizen naar de planeten Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus worden Radioisotope Thermoelectric Generators (RTG) gebruikt. Zie de Voyager hiernaast. Hierin zit radioactief materiaal dat aan het vervallen is. Dat levert warmte op, die weer wordt omgezet in elektriciteit. 
De energie van de zonnepanelen wordt opgeslagen in accu's. Als er dan eens minder licht op de panelen valt, of het energieverbruik is tijdelijk wat hoger, dan heeft men nog genoeg reserve in de accu's zitten. Accu's gaan echter niet heel lang mee. In de Voyagers, die in  2022 al 45 jaar in de ruimte zijn, heeft men grote condensatoren geplaatst. Die sparen ook elektrische energie op, maar anders dan in een accu's. De RTG's leveren constant elektrische energie, hoewel die na tientallen jaren wel iets afneemt. De gelijkspanning aan boord van een ruimtevaartuig is meestal 30 volt, net als in de luchtvaart.

standregeling en navigatie
Een ruimtevaartuig moet in de ruimte een bepaalde stand hebben, die regelmatig moet worden bijgesteld. En je moet weten waar je bent en naartoe gaat. Net als vroeger in de zeevaart, moet je bakens hebben om je koers op te kunnen richten. Die bakens zijn er ook wel in de ruimte: de zon, bepaalde heldere sterren of de rand van de Aarde. Het hangt er maar net vanaf of een ruimtevaartuig de verre planeten gaat bezoeken of rondcirkelt om de Aarde.

De meeste interplanetaire ruimtevaartuigen (zoals de Mariners en de Voyagers) bewegen zich in het vlak van de ecliptica. En van de zon af. Als een ruimtevaartuig de zon precies in de "rug" houdt  kun je een sensor gebruiken die daarop reageert en die een signaal geeft wanneer de zon buiten het bereik van die sensor dreigt te komen. 
Met zo'n suntracker heb je dus al twee gegevens voor de stabilisatie over twee assen..

Dan heb je nog een baken nodig. Meestal wordt daarvoor de ster Canopus gebruikt, die in het sterrenbeeld Carina staat. Canopus is de op een na helderste ster op het zuidelijk halfrond en die ster zorgt voor de derde as.

Het ruimtevaartuig kan ook om zijn as draaien. In de zijkant van de bus zit een Canopus tracker  die de ster Canopus in beeld moet houden. Deze sensor kent de eigenschappen van het licht van Canopus, dus is het mogelijk om die heldere ster van andere sterren te onderscheiden. Het ruimtevaartuig wordt dan zo om zijn as gedraaid totdat Canopus ook in beeld is. 

De standregeling om het ruimtevaartuig te kunnen draaien maakt meestal gebruik van kleine raketjes met geringe stuwkracht. Als de missie kort duurt, wordt daarvoor samengeperste stikstof gebruikt. Als de reis langer is, dan gebruikt men een raketbrandstof. Meestal is dat hydrazine, die onder druk in speciale tanks wordt meegenomen. Zuurstof is daarbij niet nodig, want door gebruik te maken van een katalysator in de raketjes wordt er meteen heet gas geproduceerd. De katalysator kan bijvoorbeeld fijn zilvergaas zijn. De Voyagers werken met een dergelijk systeem.

Soms moet een ruimtevaartuig in een baan om een planeet komen. Daarvoor is dan een grotere raket nodig om het ruimtevaartuig te kunnen afremmen, zodat het in een baan komt.

computers
Uiteraard zijn er computers aan boord van een ruimtevaartuig. Die werken met vaste programma's en software die vanaf de Aarde naar het ruimtevaartuig doorgezonden wordt. Zo kan men tijdens de vlucht bepaalde instellingen veranderen. Meestal zijn er twee computers aan boord, die elkaar kunnen vervangen, in geval van storingen. Die computers zijn vaak een stuk minder geavanceerd dan de PC thuis. Dat komt omdat de tijd tussen de tekentafel en de werkelijke vlucht van een ruimtevaartuig meestal jaren in beslag neemt. Bovendien worden de computers met slimme programma's uitgerust die veel minder computerkracht eisen. En moderne processoren hebben heel dunne verbindingen, om maar zoveel mogelijk transistors op een chip te krijgen. Die zijn veel gevoeliger voor de kosmische straling dan de wat oudere processoren. Trouwens, dat beschermen tegen kosmische straling kost vaak nog heel wat hoofdbrekens. Vooral bij de planeet Jupiter krijgen de ruimtevaartuigen heel wat straling te verduren. De computers houden zich bezig met het "timen" van allerlei gebeurtenissen aan boord, zetten het ruimtevaartuig in een bepaalde positie als er een tijd geen ontvangst van de aarde is geweest, verwerken de meetgegevens en de foto's en verzamelen gegevens over de "gezondheid"  van het ruimtevaartuig. Op de foto staat de computer van Cassini, die zich in een baan om Saturnus bevindt.

opslag
Als een ruimtevaartuig foto's maakt achter een planeet, of er moeten in korte tijd veel foto's genomen worden tijdens een passage, dan kunnen ze niet meteen doorgezonden worden. Opslag is daarvoor noodzakelijk. Het uitzenden van de meetgegevens en foto's neemt veel tijd in beslag. De gegevens moeten dus snel kunnen worden opgeslagen en later langzaam worden afgespeeld. Heel lang is daarvoor een gewone bandrecorder gebruikt, waarbij een magnetiseerbare band beschreven werd met digitale gegevens. Normaal worden bij een bandrecorder twee spoelen gebruikt, een om de band af te wikkelen en een om hem op te spoelen. In de ruimtevaart gebruikte men vaak een eindeloze band. Aan de buitenkant van de spoel werd de band opgewikkeld en aan de binnenkant werd de band weer uit de spoel getrokken. Dit systeem is compacter en veiliger. Bij het opnemen konden ook grote snelheden worden gehaald. Voor het uitzenden van de gegevens kunnen de recorders heel langzaam draaien. Dichtbij de Aarde konden de gegevens worden afgespeeld en doorgezonden naar de Aarde bij een snelheid van 115.000 bits per seconde. Momenteel (2022) is de Voyager zover vanaf de Aarde dat er nog maar 1400 bits per seconde kunnen worden overgezonden. 
Aangezien de bandrecorder het aantal verzonden bits bepaalt, komt er spoedig een moment dat 1400 bits per seconde te snel wordt voor de telecommunicatie. Om dit voorlopig te ondervangen worden er nu (2022) een 70 m schotel, gekoppeld met 3 schotels van 34 meter gebruikt.

Overigens maakt de Voyager, als uitzondering, wel gebruik van een magneetband recorder met twee spoelen.

De eerste geheugens waren ringkern geheugens (bijvoorbeeld in de Pioneers), de Voyagers gebruikten plated wire geheugens. Beide zijn niet gevoelig voor kosmische straling.
Tegenwoordig gebruiken we opslag waarbij flash geheugens worden gebruikt, net als de usb stick en de geheugenkaartjes bij de digitale fotocamera. Nadeel is wel dat deze geheugens speciaal beschermd moeten worden tegen de effecten van de kosmische straling. De magneetband is daar nauwelijks gevoelig voor. Op de foto is een recorder van een vroege ESA satelliet te zien.

communicatie
De meeste ruimtevaartuigen bevinden zich ver of zelfs heel ver van de aarde. Signalen van het ruimtevaartuig naar de Aarde en vanaf de Aarde naar het ruimtevaartuig doen er vaak tientallen minuten over om elkaar te bereiken. En dat bij de snelheid van het licht:300.000 km per sec.). Dat betekent dat de ontvangst uiterst zwak is aan beide kanten. Voor de Voyagers gebruikt men inmiddels drie grote antennes (de 70 m en twee van 34 m), om voldoende signaal te ontvangen -en om signalen naar de Voyager te sturen.

Voyager antenne 3,66 m.	Deep Space Network NASA Goldstone Californië 70 m.

De antenne van de Voyager heeft een middellijn van 3,66 meter. Groter kon niet vanwege de neuskegel van de draagraket. De antenne in Goldstone stuurt opdrachten naar de Voyager en heeft een middellijn van 70 meter en maakt onderdeel uit van NASA's Deep Space Network, dat ontvangststations heeft over de hele wereld. Soms moeten stations zelfs samenwerken als de ontvangst heel zwak is. De antennes zijn parabolisch van vorm, enerzijds om de ontvangen straling te kunnen bundelen op het ontvangst gedeelte (vergelijk het maar met een telescoop) anderzijds om een gerichte bundel radiostraling te kunnen uitzenden.

Bij de Voyager worden 2 frequentiebanden gebruikt: de S band (2 GigaHerz) en de X band (8 GHz). Als de ruimtevaartuigen dicht bij de Aarde staan worden er ook wel antennes gebruikt die rondom gevoelig zijn, maar verder vanaf de Aarde zijn die onbruikbaar.

Hans Walrecht

De complete Beelden uit de Ruimte" website is te vinden op http://www.hansonline.eu/