ESA – 2. díl – První krůčky za hranici atmosféry

Počátky kosmického věku jsou neoddělitelně propojeny s množstvím vojenských zájmů na využití prostoru nacházejícího se za hranicemi naší atmosféry. Zájmem každé země vždy bylo mít na oběžné dráze nějaký špionážní satelit. Díky těmto armádním projektům, studené válce a vesmírným závodům kosmonautika zažila v šedesátých letech nebývale prudký rozvoj. Bez těchto nepřátelských ambicí a jejich štědrého financování by dnešní vesmírné technologie byly nejspíš o mnoho let pozadu. Kolektiv evropských zemí však nebyl toho příkladem. Ba naopak, už od samotného počátku svého vesmírného angažování se vydal zcela jiným směrem. ESA zasvětila svou činnost výhradně mírovému využití kosmického prostoru. Její projekty se vždy nesly ve jménu vědeckého bádání, spolupráce a budování základů pro zkvalitnění a zjednodušení našeho pozemského života. Dnes si povíme o prvních krůčcích, které Evropa uskutečnila na poli svého vesmírného programu. Popíšeme si vědecké projekty, které byly uskutečněny ještě pod hlavičkou ESRO, předchůdce Evropské kosmické agentury.

Sondážní rakety

První raketové lety nebyly lety orbitálními, nýbrž sub-orbitálními. To znamená, že se raketa, respektive její užitečný náklad, sice dostala nad vrstvy atmosféry, ale nedosáhla první kosmické rychlosti a tudíž náklad nezůstal kroužit na oběžné dráze. Důvod byl prostý – v počátcích vesmírných programů každé země nebyly k dispozici dostatečně silné rakety. I tyto drobné sub-orbitální „skoky“ však byly velice užitečné a položily základ budoucího vědeckého bádání ve vesmíru. Sondážní rakety nosili vědecké přístroje do dosud nevídaných výšek, kde panují zcela odlišné podmínky, než na povrchu zemském.

Už v Modré knize, popsané v minulém díle našeho seriálu, byla zmíněná důležitá role sondážních raket. I když někdo může mít pochybnosti o hodnotě těchto velice krátkých letů, průzkum v roce 1960 ukázal, že vědci jsou zcela opačného názoru. 55 různých skupin čítajících dohromady přes 300 vědců angažujících se do vesmírného výzkumu, navrhlo pro počáteční kosmický program ESRO přibližně 150 experimentů a více než polovina z nich se týkala sondážních raket. Druhá polovina byly satelity a sondy. Hlavním důvodem tohoto zájmu byl fakt, že vesmírná věda v té době nebyla jednoznačně definována a nebyla homogenní jako například jaderná fyzika nebo biochemie. Toto odvětví zahrnuje prakticky celou astronomii a navíc některé obory fyziky a chemie. Vypouštěním velkého množství levných sondážních raket mohlo být pokryto bádání v mnoha odlišných oblastech. Kdežto kdyby tyto relativně jednoduché, počáteční výzkumy byly prováděny na palubách družic, bylo by to neporovnatelně dražší. Navíc by jednotlivé vědecké skupiny, univerzitní studenti a další zájemci o výzkum museli čekat několik let, než by na ně přišla řada, nebo se usmálo štěstí a oni dostali možnost uskutečnit svůj projekt. V neposlední řadě je také potřeba zmínit, že Evropa neměla dostatek zkušeností a pomocí sondážních raket se mohla naučit mnoho věcí, jež se staly základem pro budoucí složité vesmírné výpravy.

Britská sondážní raketa Skylark.

Britská sondážní raketa Skylark.
Zdroj: http://upload.wikimedia.org/

První sondážní rakety, které ESRO vypustila, byly britské rakety Skylark, které odstartovaly 6. a 8. července 1964 ze Salto di Quirra na ostrově Sardinie. V obou případech rakety nesly nádrže baria  a amoniaku, které byli vypuštěny do ionosféry. Tyto experimenty uskutečnili výzkumníci Institutu astrofyziky v Liège a Institutu Maxe Plancka pro extraterestrickou fyziku v Garchingu. Další raketou používanou k sondážním letům byla francouzská Centaure a občas se používala také americká raketa Arcas. Prvotní nosnosti těchto raket byly pouhých 40 kg. Během let však vzrostala až na 310 kg. Ačkoli byl program v roce 1972 ukončen, během jeho osmileté existence bylo vypuštěno 168 sondážních raket. Jen během zatmění slunce v roce 1966 bylo ve velice krátkém časovém intervalu vypuštěno 7 raket (2x Centaur a 5x Arcas). Tyto lety umožnili provést výzkum čtyřiceti vědeckým skupinám, z nichž největší podíl měli Britové a Němci, kterým společně patřily dvě třetiny letů. Přibližně polovina všech uskutečněných startů byla věnována výzkumu ionosféry, čtvrtina fyzice vyšší atmosféry a přibližně 20 procent se týkalo zkoumání Slunce, hvězd a gama záření. Bylo zcela běžné, že ESRO většinu pokusů duplikovala, pouze některé dražší projekty byly provedeny pouze jednou. Určitým extrémem však byly experimenty, které byly uskutečněny až 25 krát!

Program sondážních raket hrál důležitou roli v počátcích fungování ESRO. Poskytl příležitosti pro vědecký výzkum během dlouhé doby, kdy se čekalo na vypuštění prvních skutečných satelitů. Tento program tak dal vzniknout jádru, okolo kterého evropská vědecká obec mohla růst a hromadit své know-how. Často se jednalo o dobrodružství a ti, kteří se jich zúčastnili, vždy rádi vzpomínali na nezapomenutelné chvíle, které zažili – od vyhazování kravského hnoje lopatami z kasemat na Sardinii, přes přípravu clean roomu k vyvolání filmu, nebo dlouhých nocí plných společného čekání na vhodné podmínky k vypuštění rakety, až po pochutnání si na rybě, která se objevila namísto přistanuvšího nákladu v síti záchranné lodi. Tehdy byly zapuštěny hluboké kořeny nadšené evropské spolupráce.

ESRO I, II

Čas běžel a vědci získávali stále více znalostí o vyšších vrstvách atmosféry a kosmickém prostoru. Bylo tedy na čase začít pracovat na orbitálních tělesech. První dva satelity vypuštěné společnými evropskými silami byly ESRO I a ESRO II. Byly velmi malé, jelikož byly přizpůsobené k vypuštění na špici rakety Scout, kterou vlastnila NASA. Obíhaly na heliosynchronní polární dráze a dokonce neměly ani svůj vlastní stabilizační systém. Jejich poloha tudíž byla udržována pouze pomocí rotace s hodnotou 40 rpm kolem podélné osy, která jim byla udělena nosnou raketou. Jejich vědecká zařízení byla vskutku jednoduchá. ESRO I byla zasvěcena studiu ionosféry v polárních oblastech a polárním zářím. Kdežto ESRO II měla za cíl studium kosmického záření a jeho interakci se Zemí a také solární astronomii. Díky těmto cílům lze pozorovat jasnou návaznost na program sondážních raket. Někdy se také můžeme setkat s označením ESRO 1A či ESRO 2B. Po úspěšných startech byly navíc satelity přejmenovány na Auroru a IRIS. Tyto satelity byly navrženy už v roce 1963 komisí COPERS, kdy byl zároveň předložen návrh na spolupráci s NASA, která souhlasila, že pro družice ESRO I a II poskytne své čtyřstupňové rakety Scout B.

ESRO I připojená ke čtvrtému stupni rakety Scout B.

ESRO I připojená ke čtvrtému stupni rakety Scout B.
Zdroj: http://spaceinimages.esa.int/

ESRO II (2B), neboli IRIS (International Radiation Investigation Satellite, Mezinárodní satelit pro výzkum záření), byla vypuštěna jako první dne 17. května 1968, vážila 74 kg (21,3 kg připadalo na vědecké přístroje), a byla válcového tvaru s výškou 86 cm a průměrem 78 cm. Oběžná dráha měla parametry 334 x 1085 km se sklonem 98,9° vůči rovníku. Zajímavostí však je, že IRIS byla až druhou družicí a ne první. Jak je to možné? ESRO 2A totiž nedosáhla orbity a shořela v atmosféře po tom, co selhal čtvrtý stupeň rakety Scout. Na řadu tak přišla ESRO 2B. Na její palubě se nacházelo sedm experimentů označovaných písmenem S a dvojmístným číslem. Z toho bylo pět britských, jeden nizozemský a jeden francouzský. Životnost mise byla naplánována na jeden rok. Po necelých sedmi měsících však kvůli mechanické chybě přestal pracovat magnetický rekordér, což zapříčinilo předčasný konec dvou rentgenových experimentů. Ostatní přístroje se však držely v dobré kondici déle, než byla jejich předpokládaná životnost. ESRO II vstoupila do atmosféry 8. května 1971 po uskutečnění více než šestnácti tisíc oběhů.

ESRO I (1A), neboli Aurora, byla vypuštěna 3. října 1968 na velice podobnou oběžnou dráhu a měla také stejnou konstrukci jako ESRO II. Na její palubě však bylo 9 experimentů, z nichž 4 byly britské, 2 nizozemsko-dánské, 1 čistě nizozemský, 1 španělský a jeden patřící samotné ESRO. ESRO 1A také měla dvojníka a to ESRO 1B (Boreas). Tato družice však rovněž příliš neuspěla, jelikož byla umístěna na téměř kruhovou oběžnou dráhu, jejíž výška byla nižší, než bylo v plánu a ESRO 1B tak po pouhých několika týdnech shořela v atmosféře. ESRO 1A však kolem Země úspěšně kroužila až do 26. června 1970.

Ilustrace satelitu HEOS.

Ilustrace satelitu HEOS.
Zdroj: http://space.skyrocket.de/

HEOS a problémy se sítí monitorovacích stanic

HEOS (Highly Eccentric Orbit Satellite, Vysoce výstřední orbitální satelit) byl první evropský satelit, který se vydal za nízkou oběžnou dráhu Země, aby studoval magnetické pole, záření a sluneční vítr mimo zemskou magnetosféru. Takový výzkum vyžadoval umístění na vysoce eliptickou oběžnou dráhu, jejíž apogeum sahalo až do dvou třetin vzdálenosti k Měsíci. Na tuto dráhu už však rakety Scout nestačily a tak byla využita americká Delta. HEOS-1 (1968) byl obdivuhodným pracantem, který sbíral data po sedm let. Poprvé se tak vědcům podařilo provádět kontinuální výzkum v meziplanetárních podmínkách po téměř celou dobu slunečního cyklu. Ve výšce 75 000 km navíc vypustil nádrže baria a tím vytvořil umělý ionizovaný mrak, díky kterému mohl monitorovat siločáry magnetického pole Země. HEOS-2 (1972), ač pracující o pět let méně, byl neméně úspěšným. Ten pro změnu zkoumal oblasti nad severním pólem, kde objevil vrstvu plasmy proudící v magnetopauze rychlostmi 100 až 200 km/s.

ESRO však před vypuštěním satelitů HEOS řešila závažný problém. Neměla totiž k dispozici žádnou monitorovací síť pro vzdálenější vesmír. Výstavba sítě ESTRACK sice byla v plném proudu, avšak tato monitorovací síť nebyla vhodná pro potřeby družic na vysoce eliptických drahách nebo sond na únikových trajektoriích.

Na tomto místě bude jistě vhodné vysvětlení rozdílu mezi monitorovací sítí pro LEO a sítí pro monitoring hlubšího vesmíru. Klíčová je zejména poloha monitorovacích stanic. Na nízké oběžné dráze je pohyb satelitu převládající oproti rotaci planety. Proto je potřeba mít na povrchu 8 až 10 vhodně rozmístěných stanic na severní i jižní polokouli, aby bylo možné s každým satelitem provést spojení, alespoň jedenkrát za jeho oběh. Pro družici na vysoce excentrické dráze nebo meziplanetární sondu je však situace zcela odlišná. V tomto případě je zemská rotace převládajícím pohybem. Jinými slovy, pokud je sonda daleko od Země, jeví se nám na obloze jako nehybná, zatímco naše planeta pod ní svižně rotuje. V takové situaci je nejvhodnější mít pro monitorování pouze tři stanice, které musí být rozmístěny blíže rovníku (maximálně 30°) a jejich vzájemné vzdálenosti musí být zhruba stejné. Takovouto sítí je například známá Deep Space Network provozovaná NASA, která má pozorovací stanice v Kalifornii, Španělsku a Austrálii. Druhým aspektem jsou rozdílná časová okna, která mají stanice pro komunikaci se satelity. Objekty na nízkých oběžných drahách mohou být zpravidla pozorovány z jednoho místa maximálně dvacet minut. To je náročné z hlediska nahrávání získaných dat a zpětnému posílání povelů a instrukcí, které musí být vskutku rychlé. Dalším nešvarem jsou použité frekvence. ESTRACK byla vybudována pro komunikaci se satelity na LEO, které operovali na frekvencích 136/137 MHz. Tyto nízké frekvence však nejsou vhodné pro komunikaci se vzdálenějšími objekty kvůli velkému šumu přicházejícímu s mezihvězdného prostoru. Vzdálené sondy tudíž komunikují na frekvencích daleko vyšších (1700 MHz), což ovšem vyžaduje větší antény se souvisejícími vyššími náklady.

Čelíc těmto problémům, které kritizovali zejména Francouzi, bylo vypuštění satelitů HEOS odloženo, dokud nebude mít ESRO vhodnou síť pro komunikaci se vzdálenými objekty. Bylo navrženo několik možných řešení, kolem nichž vířily horečné debaty. Většina z nich byla příliš drahá a tak se hledaly vhodné kompromisy. Nakonec bylo odsouhlaseno, že se některé monitorovací stanice dodatečně vybaví a bude uspíšena výstavba plánované stanice partnerské organizace ELDO v Austrálii, která měla původně sloužit pouze k jejich vlastnímu výzkumnému programu. Program HEOS tak dostal zelenou.

Program TD

Družice programu ESRO i HEOS neměli svůj vlastní stabilizační systém. Byly tedy, jak už jsem psal výše, stabilizovány pouze rotací v podélné ose. Už od začátku svého působení, plánovala organizace ESRO použití samostatných stabilizačních systémů nejprve u astronomických družic, které se bez nich neobejdou.

Název programu TD vznikl ze zkratky amerického nosiče, který dopomohl k vynesení stejnojmenné družce na oběžnou dráhu – Thor-Delta. TD-1 byl nejambicióznější projekt ESRO té doby. Nesl množství složitých vědeckých přístrojů k průzkumu celé oblohy v oboru ultra-fialového, rentgenového a gama záření. Celoblohová prohlídka v UV spektru přitom nebyla překonána až do roku 2003, kdy ji překonala americká mise GALEX. Byl to tedy první evropský satelit nesoucí astronomické teleskopy, z nichž největší důraz byl kladen zejména na pozorování hvězd v UV spektru. Mise však byla vážně ohrožena už dva měsíce po svém startu, kdy oba dva magnetické rekordéry přestaly pracovat. Tyto rekordéry sloužily jako úložiště dat, která se později přeposílala do pozemních pracovišť. Bez funkčních rekordérů tedy nebylo možno data uložit, a pokud TD-1 získala nějaká data, musela je odeslat ihned. Rozjela se dramatická záchranná akce, do které ESRO zapojila i jiné kosmické agentury. 40 pozemních monitorovacích stanic po celém světě tehdy pracovalo na plné obrátky, aby dokázaly zachytit co nejvíce dat v reálném čase. Výsledek byl úžasný. Bylo zmapováno 95 procent nebeské sféry a spektroskopická měření více než 30 000 hvězd byla katalogizována a publikována. Měření pozic a tvarů spektrálních čar například odhalilo, že některé hvězdy se rapidně zbavují vnějších vrstev svých atmosfér. Významný pokrok byl také dosáhnut identifikováním meziplanetárního prachu a zmapováním jeho rozložení napříč Galaxií.

Probíhající práce na TD-1 v konstrukční hale ve středisku ESTEC.

Probíhající práce na TD-1 v konstrukční hale ve středisku ESTEC.
Zdroj: http://ars.els-cdn.com/

Mise začala 12. března 1972 a byla plánována do konce října téhož roku, kdy se měla oběžná dráha ocitnout v poloze, kdy by Země stínila družicovým senzorům ve výhledu na Slunce. Protože však, kromě porouchaných záznamníků, byla TD-1 v perfektním stavu a její data byla velmi cenná, bylo rozhodnuto vyzkoušet krok, pro který nebyla navržena. Družice byla rychleji roztočena kolem své osy pro udržení stability a byla uvržena do spánku. Po čtyřech měsících byla úspěšně probuzena a započala její druhá, neplánovaná fáze výzkumu, probíhající od března do října roku 1973. Toto období bylo ještě produktivnější než předchozí a TD-1 v něm nasbírala 70 procent celkového množství dat. Ba co více, jeden magnetický rekordér dokonce začal pracovat! Vědci tedy s příchodem zimy opět zkusili družici hybernovat a v březnu roku 1974 ji znovu úspěšně probudili. Všechny vědecké přístroje stále úspěšně pracovaly, ale v květnu byla ztracena kontrola nad systémem řízení polohy, která byla způsobena únikem plynu z nádrže. Do té doby TD-1 uskutečnila dvě a půl prohlídky celé oblohy a tato mise byla klasifikována jako naprostý úspěch.

Program TD však měl v plánu vypuštění ještě dalších dvou družic. TD-2 měla být zasvěcena výzkumu Slunce a TD-3 výzkumu ionosféry. Kvůli úspoře však tyto dvě mise byly sloučeny a později vedly finanční potíže a politická nevole k jejich úplnému zrušení. Některé přístroje určené pro misi TD-2/TD-3 byly alespoň použity k doplnění vědeckého vybavení na budoucím satelitu ESRO IV.

COS-B

Posledním satelitem, kterému se budeme věnovat, bude COS-B. Tento článek obsahuje informace a příběhy první generace evropských družic, které byly vypuštěny ještě za éry organizace ESRO. COS-B byl vypuštěn v srpnu 1975 pomocí rakety Delta v konfiguraci 2913. Stalo se tak tedy v době, když už světlo světa spatřila nová Evropská kosmická agentura. Jeho návrh, vývoj i konstrukce však probíhali už od počátku šedesátých let. Tudíž ač je COS-B satelitem druhé generace, po právu mu patří místo v tomto díle našeho seriálu.

COS-B - první orbitální observatoř záření gama.

COS-B – první orbitální observatoř záření gama.
Zdroj: http://sci.esa.int/

Tento významný satelit byl prvním evropským tělesem na oběžné dráze, které neslo jeden jediný vědecký experiment. Předchozí tělesa vždy nesla několik různých přístrojů patřících různým vědeckým pracovištím. Když se jeden porouchal, mohly ostatní nerušeně pokračovat ve své práci. COS-B naopak nesl jediný experiment, na kterém se podíleli všichni. To znamenalo, že plánování, spolupráce a rozhodování muselo být mnohem komplexnější. Vědci si museli být jisti, že satelit poskládaný z různých částí vyrobených všude možně, bude fungovat spolehlivě. Kvůli tomu byla vyvinuta nová struktura managementu, který vše řídil.

Oním jediným experimentem na palubě byl detektor vysokoenergetického záření gama, který byl navržen pro vykonání velmi rozsáhlého a svým způsobem průkopnického výzkumu záření naší Galaxie, o energiích od 50 MeV do 5 GeV. Jeho úkolem tedy bylo zaměřit se na jednu hvězdu, nebo jiný vesmírný objekt a změřit hodnotu produkovaného gama záření. Před uskutečněním této mise byla tato oblast záření prozkoumána jen velmi okrajově. Kromě detailnějšího studia již známých zdrojů záření gama, objevil COS-B i několik nových. Mezi nejvýznamnější úspěchy patří objev Krabího pulsaru, což je neutronová hvězda centrální části Krabí mlhoviny, která zbyla po výbuchu supernovy SN 1054, jež byl pozorován už v roce 1054. Dále COS-B objevil pulsar v souhvězdí Plachet, velké množství bodových zdrojů gama záření v galaktickém disku a také jako úplně první přístroj zaznamenal zdroj gama záření pocházejícího z mezigalaktického prostoru (kvasar 3C273). Navíc byla vytvořena první mapa záření gama ve třech různých pásmech a také katalog 2CG, což byl první katalog bodových zdrojů gama záření o energiích vyšších než 100 MeV.

Galaktická mapa gama záření vytvořená na základě měření COS-B.

Galaktická mapa gama záření vytvořená na základě měření COS-B.
Zdroj: http://imagine.gsfc.nasa.gov/

 

Samotný satelit vážil 278 kg a byl válcového tvaru o výšce 1,2 m a průměru téměř 1,5 m. Byl umístěn na polární eliptickou dráhu s apogeem ve výšce 100 000 km (perigeum 337 km). Tato oběžná dráha maximalizovala čas, po který se COS-B nacházel mimo dosah rušivých radiačních pásu a tudíž mohl nerušeně pozorovat v průměru až 25 hodin z celkového 37 hodinového oběhu.

COS-B byl původně navrhnut pro dvouletou misi. Vydržel však bezchybně pracovat více než 6 a půl roku. Nic ale netrvá věčně. V dubnu 1982 mu došlo palivo, kterým bylo 10 kilogramů dusíku, pomocí kterého měnil svou polohu. Satelit se tedy nemohl natočit do požadovaného směru a tak byly jeho přístroje vypnuty a COS-B se vydal na zasloužený odpočinek. Díky výsledkům dosaženým během této mise se astronomie v tomto oboru vysokoenergetického záření mohla přehoupnout z fáze objevování, do fáze skutečného průzkumu a detailnějšího studia. Nové okno pro pohled do hloubek dalekého vesmíru bylo otevřeno.

Všemi těmito prvotními misemi, projekty a výzkumy nová, rodící se kosmická velmoc světu ukázala, jakou cestou se hodlá ubírat. I tak zdánlivě nevýznamné první, malé satelity přinesly vědcům obrovské množství nových informací a poznání. Evropská kosmická agentura tak získala pevné základy, na kterých později vybudovala množství ohromně úspěšných vědeckých misí. V příštím díle však zabrousíme do zcela jiné oblasti než je ta vědecká. Povíme si, jak ESA zasáhla do života obyčejných lidí.

Zdroje informací:
http://www.esa.int/
http://en.wikipedia.org/

Zdroje obrázků:
http://spaceflightnow.com/news/n0402/04atmosphere/atmosphere.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/26/RAE_Skylark.jpg
http://spaceinimages.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/1998/01/esro-1_launch_preparations2/9095884-5-eng-GB/ESRO-1_launch_preparations_node_full_image.jpg
http://space.skyrocket.de/img_sat/heos-1__1.jpg
http://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0094576507000732-gr9.jpg
http://sci.esa.int/science-e-media/img/9d/i_screenimage_30621.jpg
http://imagine.gsfc.nasa.gov/Images/satellites/cosb_gcem.gif

ESA - 2. díl - První krůčky za hranici atmosféry, 2.5 out of 5 based on 25 ratings
Pin It
(Visited 486 times, 1 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (25 votes cast)
(Visited 486 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


4 komentáře ke článku “ESA – 2. díl – První krůčky za hranici atmosféry”

  1. Thelvyn napsal:

    Super clanok … uz sa neviem dockat pokracovania 🙂

  2. Michael Voplatka napsal:

    Děkuji. Jsem rád, že se články někomu líbí.

  3. kopapaka napsal:

    Pěkný článek…
    Některé z pokusů si pamatuju (matně) ze starší čísel L+K na kterých jsem vyrůstal, ale jen některé.
    Díky

Zanechte komentář