Mars-laskeutujan sähköisten järjestelmien mitoitus tieteellisten operaatioiden optimoimiseksi

Abstract

Avaruushankkeissa energian saatavuus ja riittävyys ovat kriittisiä tekijöitä. Kun siirrymme kauemmaksi Auringosta, vähenee säteilyvuontiheys etäisyyden neliöön. Tämän vuoksi säteilyvuo Marsissa on noin 43 prosenttia säteilyvuosta Maassa. Marsin erityispiirteenä on myös kaasukehä, pölymyrskyt sekä kaasukehässä leijaileva hiekka, jotka vaikuttavat pinnalla olevan laskeutujan vastaanottamaan säteilyvuohon.

Yleisimmät menetelmät sähköenergiaa tuottamiseksi mars-laskeutujissa ovat aurinkopaneelit ja radioisotooppinen lämpösähkögeneraattori (RTG). RGT tuottaa energiaa tasaisesti, riippumatta vallitsevasta säteilyvuosta. Pienempien laskeutujien kohdalla yleensä riittää aurinkopaneeleiden ja akuston yhdistelmä. Tässä työssä on kuitenkin huomioitu mahdollisuus käyttää RTG:tä osana energiantuottojärjestelmää.

Hyötykuorma ja palveluelektroniikka asettavat lähtökohdat energian- ja tehontuottojärjestelmän suunnitteluun. Tässä täytyy ottaa huomioon paitsi edellä mainittujen yksityiskohtaiset sähköiset vaatimukset, niin myös laskeutujan mukanaan tuomat massa- ja tilarajoitukset. MetNet-laskeutuja on suhteellisen pieni ja rajoittaa mm. akuston ja käytettävissä olevien aurinkopaneeleiden sekä RTG:n ominaisuuksia. Työssä kehitetty optimointityökalu antaa käytännössä rajattoman mahdollisuuden muokata energiajärjestelmän osien kokonaisuutta, mutta laskeutujan asettamien rajoituksien vuoksi, emme simuloi epärealistisia vaihtoehtoja.

Optimointityökalu kehitettiin kahdessa vaiheessa. Ensin MS Excelillä, jonka avulla määriteltiin realistiset lähtökohdat mm. aurinkopaneeleiden ja akkujen määräksi sekä tarkasteltiin staattista toimintatilaa eri säteilyvuontiheyksillä ja alijärjestelmien hyötysuhteilla. Toiseksi Pythonilla, joka sisältää kaikki Excel-työkalun ominaisuudet. Tällöin voimme tarkastella järjestelmän toimintaa halutulla ajanjaksolla sekä muuttuvalla säteilyvuontiheydellä mihin vuorokauden ja vuodenaikaan tahansa.

Marsin pinnalla sijaitsevien laitteiden täytyy toimia täysin autonomisesti. Tällöin energian saatavuus ja sen optimoitu käyttö ovat tärkeitä. Laskeutujan palveluelektroniikan pitää pystyä toimimaan myös ei-optimaalisessa tilanteessa ja tarvittaessa keskeyttää tieteelliset toiminnot. Näitä operaatioita ohjataan ns. syklogrammeilla, eli etukäteen ohjelmoiduilla toimintasuunnitelmilla, joita laskeutujan tietokone toteuttaa tarpeen mukaan. Työssä on simuloitu syklogrammeja eri toimintaolosuhteille hyödyntäen kehitettyä optimointityökalua.

For space projects, the availability of energy is a critical factor. The farther we go from the Sun the power of solar irradiance is weaker, at Mars it is 43 percent compared to the Earth. A special feature of Mars is the opacity of the atmosphere, as well as possible dust storms and sand floating in the atmosphere, which affect the solar irradiance received by the lander on the surface.

The most common methods for generating electrical energy in Mars are solar panels and a radioisotope thermoelectric generator (RTG). RGT produces energy all the time, regardless of the prevailing solar irradiance. For smaller landers, a combination of solar panels and batteries is usually sufficient. The possibility of using RTG as part of the energy production system has been considered in this work.

Payload and service electronics set the starting point for the design of the energy and power generation system. In addition to the electrical requirements, the mass and space limitations brought by the lander have to be taken account. The MetNet lander is relatively small and limits e.g. the mass and volume of the batteries and available solar panels as well as the RTG. The optimization tool developed in this work provides virtually limitless possibilities to modify the energy system parameters, but due to the limitations imposed by the lander, we do not simulate unrealistic alternatives.

The optimization tool was developed in two steps. First with MS Excel, which was used to define realistic starting points, e.g. the number of solar panels and batteries and testing the static operating modes at different solar irradiance densities and subsystem efficiencies. Second, we use a Python tool that includes all the features of the Excel tool and we can simulate the operations with variable solar irradiances at any time of the day and season.

Devices on the surface of Mars operate fully autonomously. In this case, the availability of energy and optimized use of it are key factors. The lander service electronics must be able to operate even in non-optimal situations and, if necessary, interrupt scientific operations. These operations are controlled by the so-called cyclograms, i.e. pre-programmed operation plans, implemented by the lander computer when required. In this work, we simulate cyclograms for different operating conditions using the developed optimization tool.