Spaceship on a chip del 2: Landning på Venus

Det här är den andra delen i vår artikelserie, med en närmare beskrivning av landarmodulen och elektroniken – läs del 1 innan så förstår du bättre vad det handlar om.

Landaren i sammanfattning

När landaren släpps loss från moderfarkosten är alla strukturer inuti den hopknycklad minnesmetall, en typ av metallegering som kan ”minnas” den form den hade vid tillverkningen. Man kan sedan knyckla till den, men den återfår sin forna form vid uppvärmning.

Den roterade spegeln för panoramakameran monteras i toppen på ett torn av minnesmetall, som vecklar ut sig till ett fackverkstorn efter ett tiotal timmar i Venus marktemperatur. Tornet kommer också att fungera som dammskydd för kameran. Fallskärmen ligger i ett temperaturskyddat utrymme överst. Den övre skyddskonen ska vara i ett värmetåligt men radiogenomsläppligt material, så att landaren kan kommunicera med moderfarkosten under nedfärden.

All intelligens för nedfärd, landning och drift på planetytan sitter i elektroniken i markmodulen, även den som sköter fallskärmen och sprängbultarna. När bultarna lossas kommer man inte att förlora någon funktionalitet alls.

Markmodulen består i huvudsak av en skål i titan, 1–2 meter i diameter, som är klädd undertill med materialet LI-900.

Det finns ett hål i titanskålen, där landningsradarn tittar ned. För denna kan man antingen bygga en enkel array av fasta dipoler som bara strålar rakt ned, eller tänka sig en phased array-konstruktion som kan svepa runt horisonten.

Ett antal timmar efter landningen har minnesmetallen i antenner och torn rätat ut sig och antennerna får full verkningsgrad. Spegeln höjs till 45 graders vinkel av sin hållare i minnesmetall. Titanskålen fungerar som reflektor för radioantennerna.

Behöver inte tätas

Elektronikmodulerna består också av titan som svetsats mot skålen. Kretskorten bultas fast mot modulens tak med bultar med fjäderbrickor. För att öka stabiliteten och vibrationståligheten står ett fackverk av tunna titanplåtar mellan modulerna och skålens kant (se bilden nedan).

Modulerna behöver ingalunda vara täta, utan atmosfärstrycket kan slippa in. Atmosfärens koldioxid skadar inte elektroniken. Det gör däremot det lilla innehållet av svavelsyra. Låter man atmosfären pysa in genom ett litet hål fyllt med kalk kan svavelsyran absorberas och neutraliseras.

Den tunga delen är isotopgeneratorn (rtg), som lämpligen monteras i mitten av skålen så dess tyngdpunkt kommer lågt.

Uppifrån syns ytterligare detaljer. För att få jämvikt kan elektroniken delas i tre moduler: Mikrodator- och kameramodul, radiomodul och sensormodul.
Flatkabeln går i ring runt de tre modulerna, vilket ger redundans. En ledare kan gå av någonstans utan att det påverkar funktionen.

Dataöverföring till jorden

Vanliga sprötantenner räcker gott och väl för kommunikation med en satellit, det har bevisats på Mars. Liknande antenner kan användas för rwi, radio wave investigation, när man vill höra åskurladdningar i molnen.

Man kan också tänka sig en lågfrekvensantenn i form av en luftlindad mångvarvig spole av asbestlaminerad litztråd punktsvetsad mot radiokortet.
SNHT hade tidiga funderingar på att eventuellt förse en kretskortet i radiomodulen med en mängd dipoler och montera sändarmoduler på andra sidan plattan och på så sätt skapa en fasad antennmatta och åstadkomma en elektroniskt styrbar antenn. Vid närmare eftertanke visade sig verkningsgraden på en sådan anordning vara för låg för att motivera konstruktionsjobbet. En helt vanlig rundstrålande kvartsvågspinne har bättre verkningsgrad och är betydligt enklare att konstruera.

En halv watt krävs

Antennerna görs av minnesmetall som förvaras hoprullade och vecklar ut sig efter att par timmar i venusvärmen. Antennen skruvas fast i kretskortet med skruv, mutter och fjäderbricka. Brickan är avsedd att ta upp vibrationer och skruvens förlängning i den höga temperaturen.

De uteffekter som krävs kan man lära sig från marsbilsprojekten. Mer än en halv watt ska inte behövas.

Det finns ingen anledning att göra större åthävor än nödvändigt och gå upp i sändarfrekvenser över 200 megahertz. Återigen kan man dra lärdom av marsbilarna, som håller sig inom det frekvensområdet. Det är lätt att bygga sändare vid denna frekvens och ett par centimeter matarledare betyder inget för prestanda.

Spaceship on a chip

”Kretskort” för venuslandaren.

Kretskortet är framställt av aluminiumnitrid (AlN), en keram som har samma värmeutvidgningskoefficient som kiselkarbid (SiC). Avsedd storlek är ungefär som en kakelplatta.

De gröna fyrkanterna på skissen är SiC-kretsarna, monterade ”flip-chip”, alltså med ledningsmönster och anslutningar nedåt, och mer eller mindre hårdlödda mot ledningsnätet av platina. Det är den enda metall som inte veknar i 460 grader och med hög ström pålagd.

För att i mesta möjliga mån eliminera kablage och tillhörande felkällor bör all logik läggas på ett enda moderkort. Det är detta som vi kallar ”Spaceship on a chip”!

Ständig spänning

Flatkablarna som kommer utifrån ansluts med skruvterminaler eller punktsvetsas på kretskortets sidor.

Utspänningen från rtg:n varierar med tiden och omgivningstemperaturen (rumstemperatur, rymden, Venus), så man måste kunna koppla om sektioner av termoelement för att ständigt hålla avsedd spänning. Det sköts av kraftreglerelektronik.

Kontrollenheten (controller) behöver många anslutningar mot minneskretsarna, därav det omfattande ledningsnätet.

Lätt att seriebygga

Signalkablaget innefattar både en databuss, à la can-buss och matningsspänningar till de två andra instrumentmodulerna: radiomodulen och sensormodulen.

Att framställa elektroniken på kretskort har den fördelen att det är lätt att seriebygga flera likadana enheter för testning. Ledarmönstret konstrueras med vanlig kretskorts-cad och framställs med platinapasta som screentrycks på aluminiumnitriden och sedan smälts fast.

SiC-kretsarna kan också enkelt massframställas, placeras upp-och-ned på kretskortet och hårdlödas fast, varefter allting kan provas med kända metoder.

Kameror

Det är lämpligt att följa i Sovjets spår och göra panoraman av venusytan, men det bör göras i flera våglängdsområden än vad som gjorts hittills. SNHT tänker sig åtminstone tre kameror.

En del av ett venuspanorama. Armen som sticker ut är ett markanalysinstrument. Stenen till vänster är en sten.

Man bör inte lägga ned arbete på att tillverka tvådimensionella ccd-arrayer i SiC, när det räcker med en dimension. En linjesensor är fullt tillräcklig om man ändå ska ha en vridande spegel och skapa panoraman. Det blir betydligt enklare att få bilder med 1 000 pixlars vertikal upplösning genom att svepa en 1 000 pixlars linjesensor horisonten runt, än att försöka bygga en 1 000 gånger 1 000 pixel-array.

Mitt på kretskortet sitter kamerakretsen med sina tre linjära ccd-arrayer. Den tittar nedåt (uppåt efter montage) genom ett hål i kortet, som är fyllt av en propp av Pyrexglas som agerar objektiv. Pyrex är ugnsfast glas och tillräckligt temperaturstabilt för Venus.

Stenigt panorama från Venera 9. Brusstrecken i översta bilden är egentligen telemetridata som sänts tillsammans med bilden. Det kan trollas bort, som på nedre bilden.

En kamera ska lämpligen vara känslig i synligt ljus, med rgb-filter, för att efterlikna det mänskliga ögat och ge en bild som vi kan förstå intuitivt.
Den andra kameran bör vara känslig i nir, kortvågigt infrarött ljus, för att kunna hjälpa till med mineralanalyser. Långvågigt infrarött är sannolikt meningslöst att studera på en planet som är 460 grader på ytan.

Den tredje kameran bör vara känslig i ultraviolett, för studier av himlen, utöver mineralstudierna. Himmelsljusets polarisation kan också vara intressant att studera.

 
Kan klara av 400 grader varmt

De tre sensorerna ska titta ut rätt upp från elektronikutrymmet mot en roterande spegel, monterad på änden av ett torn. Asynkronmotorn vrider tornet med spegeln i toppen. Den drivs direkt av en motordrivkrets som skapar trefas av lämpliga frekvenser för att rotera spegeln lagom fort.

Asynkronmotorer kan användas i 400 graders temperatur, eftersom de huvudsakligen bara består av aluminium och koppar, och rotorn är kortsluten. Det finns smörjmedel som fungerar i högre temperaturer än så, till exempel molybdendisulfid, även känt som Black Molly.

Ryska kalibreringsremsor på Venus, på Venera 13 och 14.

Det måste finnas en kalibreringsremsa som de tre kamerorna kan se någon gång under varvet runt horisonten, så att man kan säkerställa färgtemperaturer, genom att se hur himmelsfärgen färgar färgfälten på kalibreringsremsan. Kalibreringsremsans utseende i 460 graders temperatur måste utprovas på jorden.

Mer i del 3 nästa vecka!
I nästa del får du en närmare beskrivning av landarmodulen och elektroniken
ombord – håll utkik!