S17  Mor-Dotter

Projektets tidiga faser 

Raketsond S17 "Mor-Dotter" var ett projekt inom ramen för det svenska nationella sondraketprogrammet avsett att mäta energispektrum och pitchvinkelfördelning hos norrskenspartiklar samt elektriska fält i norrsken. Mätningarna var tänkta att utföras på ca 70-250 km höjd och genom att sondinstrumenteringen på lämplig höjd separerades i två mindre sonder ("mor" och "dotter") skulle det bli möjligt att skilja mellan variationer i rum och tid(1) .

Systemkrav

I den preliminära projektbeskrivningen (1) daterad den 18 juni 1973 finns vissa grundkrav på systemet beskrivna:

• Topphöjden bör vara 220-250 km. 
• Höjdskillnad mellan sonderna på upp till ca 5 km acceptabel. 
• Horisontell separationshastighet bör vara av storleksordningen 5 m/s. 
• Horisontella separationen skall ske i banplanet. Tillåten avvikelse ca ± 10° 
• Separationen bör helst ske vinkelrätt mot magnetfältsektorn. 
• Moderns attityd skall vara så stabil som möjligt. Tillåten koning efter separation ca 10° (halva konvinkeln) . 
• Dottern skall ha relativt stor koning. 
• Både moder och dotter bör under mätfasen ha en rotationshastighet av 2-4 varv per sekund.
• Både mor och dotter förses med tone-ranging transponder. 
• Separationshastighet och separationsriktning bör mätas.
• Metoder för detta ännu ej definierade. 
• Attityd hos mor och dotter mätes med treaxlig magnetometer. Ytterligare rollinformation krävs dock.
• Av kostnadsskäl förefaller det lämpligt att som bärraket för sondinstrumenteringen välja Nike-Tomahawk.
• Nyttolastens diameter kan då väljas till ca 30 cm och längden kan tillåtas uppgå till ca 2,5 m.
• Den totala vikten bör ej överstiga 110 kg.

Separationsmetoder

I den preliminära projektbeskrivningen (1) finns också preliminära idéer om hur man skulle separera "dottern" från "modern":

• Separation åt sidan
  Detta är det mest önskvärda alternativet på grund av att liten separation i höjdled då erhålles. Sonderna måste separeras i rätt spinnfas, vilket förutsätter initiering i sondinstrumenteringen med hjälp av magnetometer och tiddon. För att minska separationens inverkan på moderns attityd är det tänkbart att en motvikt på lämplig plats i sonden samtidigt separeras.
• Separation framåt 1
  Detta alternativ förutsätter viss koning hos modern för att tillräcklig horisontalhastighet hos dottern skall erhållas. Separationen skall ske vid rätt fasläge hos koningen och initiering kan lämpligen ske från marken efter avläsning av magnetometer signalen. Kornrnandornottagare i sonden krävs, men denna kan troligen kombineras med tone ranging transpondern.
• Separation framåt 2
  Modern och dottern separeras längs spinnaxeln varefter dottern med lämplig anordning ges en tillräcklig horisontalhastighet i rätt riktning. Detta kan exempelvis ske genom utskjutning aven liten massa med stor hastighet i motsatt riktning.

Projektstudie startar

Den 18 juni 1973 sände Rymdbolaget också en offertförfrågan (2) till Saab-Scania avseende en möjlighetsstudie av S17-projektet. Studien skulle i första hand utreda olika alternativ för att separarera de två sonderna från varandra och från dessa utrednigar skissera totallösningar för sonderna. Kontraktsbeloppe var 60 000 kronor (Saab fick ett förskott på 25 000 kronor) och Saab-Scania skulle enligt beställningen lämna två rapporter:

• Den första skulle lämnas i november 1973 och ge Rymdbolaget rnöjlighet att välja högst två konstruktionsalternativ.
• Den andra skulle lämnas senast i januari 1974 och i princip utgöra en preliminär projektspecifikation, som kunde ligga till grund för en eventuell tillverkning av "mor-dotter"-sonder. 

Resultatet av möjlighetsstudien

Delrapporten (3) kom i själva verket i januari 1974 och rekommenderade "separation framåt 2" med en impulsraket för att åstadkomma rörelsen i sidled. farten framåt föreslogs ges med fjädrar. Impulsakten skulle tändas 5-10 sekunder efter separation på ungefär 10 meter mellan mor och dotter. Delrapporten påpekade docj vissa problem som måste utredas ytterligare, bl.a.:

• Smutsade avgaserna från impulsraketen ned instrumenten?
• Tålde experimenten en stöt på 100 g i 10 millisekunder?

Saabs projektspecifikation blev också en smula försenad och är daterad den 28 mars 1974. Tabellerna nedan sammanfattar huvudpunterna i projektspecifikationen.Den totala vikten av varje nyttolast var endast 96 kg (mot 129 kg för Norrskenssonden). vilket beräknades ge raketerna en topphöjd runt 235 km (mot ca 190 km för Norrskenssonden). S10-sonderna hade en diameter av 305 mm och längden var 2079 mm.

Experiment	Beskrivning
KTH	Plasmafysikinstitutionen  vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm ansvarade för ett experiment som mätte det elektriska fältet i jonosfären. Mätningarna utfördes från  sfäriska sonder, placerade i ändarna på c:a 1,5 m långa bommar. KTH-experimentet ingick i både moder- och dottersonden. Två bompar, placerade vinkelrätt mot varandra , ingick i modern och ett bompar i dottern. Bommarna fälldes ut efter att dottern separerat och erhållit sin sidoknuff. Mätningarna skulle börja vid c:a 80 km höjd. Ansvarig forskare på KTH var Ulf Fahlesson?
KGI	Kiruna Geofysiska Institut (nuförtiden Institutet för Rymdfysik) levererade ett instrument som mätte pitchvinkelfördelning och energispektrum  för norrskenspartiklar. Experimentet ingick i både modersond och dottersond varför mätningar beträffande variationer i tid och rum kunde utföras. Mätningarna gjordes dels med channeltrondetektorer och dels med solid-state-detektorer. Ansvarig forskare var Rickard Lundin.?
UJO	Uppsala Jonosfärobservatorium (nuförtiden Institutet för Rymdfysik i Uppsala) levererade ett experiment som mätte finstrukturen hos elektrontätheten med en sensor monterade på en kort (0,5 m) bom. Experimentet ingår i både modersond och dottersond. Ansvarig forskare för UJO:s experiment var Bengt Holback?

Saabs offert i juni 1974

Den 19 juni 1974 sände Saab-Scania sin offert för S17 (4) till Rymdbolaget. Man erbjöd sig att leverera de två raketsonderna till Esrange under vecka 39 1975 för ett bok- och räkningspris om ungefär 1,4 miljoner kronor (exkl moms). Om man tar hänsyn till variationen i konsumentprisindex så mostvarar detta ett nutida pris på ungefär 7,4 miljoner kronor - ett så vitt jag kan bedöma mycket rimligt pris. Sedan tillkom åtskilliga kostnader som Rymdbolaget hade för projektet: inköp av åstkillig utrustning som raketer, sändare, antenner, mangnetometer samt utvecklingen av avståndsmätningsradarn. Troligen landade slutkostnaden för S17 ganska nära ett nutida sondraketprojekt.

Data för några av S17-sondernas delsystem och viktiga apparater
Batteripaket	I både mor och dotter: Batteri 1: +28 V 24 celler för telemetrisystemet. Batteri 2: +28 V 24 celler för experimenten Dessutom fanns spänningsregulatorer från Rymdbolaget som tillhandahöll +/-15 V, +5 V till telemetrisystemet +/-18 V, +8 V till experimenten.
Telemetri (7)	Sändare Moder: 230,33 MHz, 2 Watt, frekvensmodulerad, Vector T1202 Dotter: 400,55 MHz, 2 Watt, frekvensmodulerad, Vector T202 Antenner Moder: Bronzavia TM 300 Dotter: Bronzavia TM 5 Datatakt Moder: 204,8 kbit/s, PCM Dotter: 128 kbit/s, PCM
Baninmätning	Mottagare för tone ranging på 33,85 MHz i både mor och dotter.
Magnetometer	Tvåaxlig magnetometer, Schonstedt RAM-72C, en i vardera i mor och dotter.
Bommar	Tillverkades av Weitzmann Consulting, San Fransisco.
Stjärnsensor	En vardera i mor och dotter. Utvecklades av Kalevi Hyypää, KTH, Plasmafysik.
Tiddon	Raymond 1060-10G-360T-8SPDT (mor) och 1060-10G-30T-8SPDT (dotter)
Kraftomkopplare	Ledex (13-polig, tvåvägs)128941-001, en i mor resp dotter

Separation av "dottern"

Nedanstående text är tagen direkt från (5) men med byte av tempus från presens till imperfekt:

"... I modersondens övre del fanns en mekanism för framåtseparation av dottersonden. Den bestod av fyra spiralfjädrar sant styrningar. Mekanismen var beräknad för en separationshastighet av c:a 1,0-1,5 m/s. Separationen skedde då ett spännband lösgjordes med hjälp aven pyroteknisk utlösningsmekanism.

För sidoknuffen används en impulsraket vars dragkraft verkar i dottersondens tyngdpunkt. För att erhålla en väldefinierad separationsriktning är raketens brinntid kort (c:a 20 ms). Raketen dimensioneras för att kunna ge en 35 kg tung dottersond en separationshastighet av c:a 5 m/s. Raketen kan monteras genom skalet i ett sent skede under klargöring.

Raketen tänds från en speciell styrenhet i dottersonden. Villkor för tändning är att dottern separerat från modern samt rätt läge i rotationsplanet. Tändning av impulsraketen för sidoknuffen av dottern styrs av en speciell enhet. Villkoren för tändning är att dottern separerat från modern samt rätt läge i rotationsplanet. Första villkoret erhålls från tiddonet i dottern. Tiddonet startar då framåtseparationen från modern börjar. Efter viss tid kopplas +28 V tändspänning fram till styrenheten. Styrenhetens funktion visas i blockschema nedan.

Magnetometersignalen påföres efter lågpassfiltrering en komparator. Omslag i dennas utsignal erhålles då magnetometersignalen passerar referensnivån. För att kompensera för fel i referensnivån justeras referensnivån med hjälp aven integrator, så att den resulterande referensnivån blir nära lika magnetometersignalens medelvärde.  Komparatorns utsignal startar (en gång per period) en nonostabil vippa som i sin tur via ett drivsteg styr en switch. Switchen kopplar spänning från tiddonet till tändaren i impulsraketen. Monovippan är blockerad då tiddonet ej lämnar +28 V drivspänning. Enheten strömförsörjs med +28 V ostabiliserad spänning.  Enheten kan testas genom att en +5 V signal påföres en testingång. Därvid erhålles vid korrekt funktion på testutgången en +5 V signal med 20 ms långa negativa pulser vid magnetometerns nollgenomgångar (en per period)..."

Placering av utrustning i sonden

CW dopplerradar på modern

För att skilja på rums och tidsvariationer var det nödvändigt att bestämma den relativa rörelsen mellan mor och dotter- För det första behövde man mäta avståndet till dottern. Det skedde med en doppleradar monterad på modern som varje spinnvarv (ca. 4 Hz) gav en indikation av den relativa hastigheten. Den relativa bäringen till dottern fick man fram genom att ta reda på spinnfasen när radarekot från dottern kom. Det kunde ske med den stjärnsensor som fanns på modern (och dottern i och för sig). För att få avståndet till dottern fick man integrera hastighetssiganlen under datautvärderingen. 

Radarn var ett av Rymdbolagets bidrag till S17-Mor/dotter-projektet. Det var elektronikingenjören Olle Nilsson hos Rymdbolaget i Solna som tog fram radarn. Apparaten bestod av en sändare/mottagare, en förförstärkare (x 25) för att förstärka radarsvaret, ett bandpassfiler (70-455 Hz) och en logatritmisk förstärkare (frekvensomfång 50-1500 Hz, max utsignal 2,7 Volt). Antennen var en hornantenn med längden tre våglängder och en öppningsvinkel i E-planet med +/-30° och i H-planet +/- 12°. (9)

Radarsändtagaren var av fabrikatet Microwave Associates MA-86135 med en sändareffekt på 100 mW på frekvensen 10,525 GHz. Känsligheten var -94 dBm. Själva radarsändtagaren var 140 x 100 x 55 mm och vägde 450 gram medan resten av elektroniken fanns i en låda med måtten 100 x 100 x 35 mm som vägde 300 gram. Systemet drog 40 mA på +/- 18 V och 1 A på 10,5 Volt. (9)   

Dopplerradarn på "modern" Bilden till vänster kommer från Rymdbolagets arkiv (9) och visar radarns storlek och blockdiagram. Bilden ovan är från Saab-Scanias dokumentation (6) och visar radarn monterad på "moderns" ovansida. Figuren till höger kommer från ett Rymdbolagsdokument (9) och visar observationsgeometrin och hur radarn ser dottern på varje spinnvarv.

Radarns antenn hade således en bred antennlob i vertikalplanet och en ganska smal i horisontalpanet. Det var en garanti för att man inte skulle missa dottern efter separationen och för att få en tydlig riktning i horisontalpanet till dottern. I (8) analyserade Anders Söderberg, matematiker och programmerare på Rymdbolaget, radar-, stjärnsensor och baninmätningsdata för att räkna ut banan för mor och dotter. Figurerna nedan visar avståndet till dottern och hur långt över horisontalplanet dottern syntes från modern för S17-1. Man ser att radarantennen lätt täckte in dotterns rörelse.

Utveckling av sonderna

Det kan vara värt att citera vad Torbjörn Forsell (11)  skriver om utvecklingen hos Saab av impulsraketen för "sidoknuffen":

"... Först skulle en impulsraket designas och utprovas. Det fanns kunskap om detta bl.a från raketstolarna i flygplanen. Det var därför naturligt att låta dessa experter ta hand om denna raket. Senare fick vi bevittna avfyring av en impulsraket när sprängexperterna gjorde prov. Det small rejält..."

1. PRELIMINÄR PROJEKTBESKRIVNING "MOR-DOTTER" , Rymdbolagets dokument S8/5-3, 18 juni 1973. Bengt Holmqvist
2. Utredning beträffande sondinstrumentering S17 "Mor-dotter" , Rymdbolagets dokument S8/5-P3, 18 juni 1973.
3. S17 Mor-dotter. Delrapport av förstudie. Saab-Scania dokument RRR-S17:8, 22 januari 1974.
4. Raketsondinstrumentering S17 "Mor-dotter", Saab-Scania offert RN 2132 C, 19 juni 1974.
5. Sondinstrumentering till raketsond S17, Projektspecifikation, Saab-Scania dokument RRKR-S17-88, 28 mars 1974.
6. Slutrapport om sond S17, Saab-Scania dokument RRK-S17-76:112.
7. TM-systemet i Sond S17 (Mor-dotter), Rymdbolagets dokument S17-3, Bengt Holmqvist, 31 oktober 1974.
8. Separation Mor-Dotter, Resultat. Rymdbolagets dokument S17-10, Anders Söderberg, 17 januari 1978.
9. A CW Doppler radar in sounding rockets. Rymdbolagets dokument S17-5, Olle Nilsson, 29 maj 1975.
10. Boom system failure on payload S17, your letter dated March 26, 1976, Weitzmann Consulting, 13 april 1976.
11. Torbjörn Forsell: "Balloon Releaser in Blockhouse. Time for Lift-off...." Memoarer 2004.
    

Tillbaka till svenska rymdprojekt