ESA – 11. díl – Poprvé k Měsíci

SMART-1

Pokrok všech významných kosmických agentur světa přicházel postupně. Nejdříve přišly cesty na oběžnou dráhu, poté pokusy o dobývání Měsíce a vzápětí první meziplanetární cesty k Marsu či Venuši. Toho jsme mohli být svědky v šedesátých letech, kdy si takto probojovávali své cesty USA a Sovětský svaz. Dnes můžeme to samé sledovat v podání Číny či Indie. Indie už zkoumala Měsíc z jeho oběžné dráhy pomocí sondy Chandrayaan-1 a letos na podzim chystá start své první sondy k Marsu, která ponese jméno Mangalyaan. Obdobně Čína už kroužila kolem Měsíce se svými průzkumníky Chang’e 1 a Chang’e 2. Na letošní rok chystá start a následné přistání s velkou sondou Chang’e 3 a v příštích pěti letech plánuje toto přistání zopakovat a snad i dopravit vzorky zpět na Zemi. Ve stejném časovém horizontu by také Čínani rádi poslali své sondy k Marsu a asteroidům. Evropa však kráčí výrazně odlišnou cestou. Nejdříve dosáhla rekordně blízkého průletu kolem Halleyovy komety se sondou Giotto, poté se jí dokonce podařilo doposud nejvzdálenější přistání lidského výtvoru v historii, tj. přistání sondy Huygens na Saturnově měsíci Titanu, a nakonec se usadila se svým satelitem na oběžné dráze Marsu a pokusila se na něm i přistát (o této misi více v některém z příštích dílů). Měsíc přišel na řadu až jako čtvrtý, a tom si můžete přečíst v dnešním článku.

Velkým trendem posledních let v kosmonautice, a to nejen té evropské, je maximální snižování nákladů při zachování stejné kvality a efektivity. Důvod je prostý – kosmickým agenturám se vlivem ekonomických krizí a malého zájmu ze strany politiků a společnosti neustále škrtají nemalé částky z jejich rozpočtů. To nutí vědce i inženýry vymýšlet jednoduchá a funkční řešení, často za pomoci miniaturizace. Výsledkem takovéhoto snažení je narůstající počet velmi malých sond a satelitů, nebo dokonce pikosatelitů, jakými jsou například Cubesaty, které jsou velké jako krychlička o straně 10 centimetrů. ESA začala počátkem tohoto tisíciletí pracovat na nízkonákladových misích, jejichž účel je při malých nákladech otestovat technologie, které mají být použity při budoucích velkých a drahých projektech. Tyto nízkonákladové mise byly obecně pojmenovány SMART (Small Missions for Advanced Research in Technology), což znamená malé mise pro pokročilý výzkum technologií.

Komise pro vědecký program ESA koncem roku 1998 odsouhlasila misi, která měla vyslat sondu na orbitu Měsíce s možným prodloužením mise kvůli průletu kolem nějakého blízko-zemního asteroidu.  Výsledkem této myšlenky se stala sonda SMART-1. Jejím primárním úkolem bylo otestovat iontový pohon, který ESA pokládá za klíčový při budoucím průzkumu Sluneční soustavy. SMART-1 se tak stala první evropskou sondou s iontovým pohonem a celkově druhou na světě. Prvenství patří americké sondě Deep Space 1. Dalším cílem mise bylo otestovat některé nové technologie. Mezi vědecké cíle patřilo získání nových poznatků o měsíční geologii, topografii a chemickém složení, a také studium tektonické aktivity a procesů, které formovaly Měsíc při jeho vývoji. Celkové náklady byly „pouhých“ 110 milionů €. Nízký rozpočet znamenal co nejlevnější start, nový způsob zadávání zakázek a také nový přístup managementu. Sonda byla díky tomu vypuštěna jako druhotný náklad při běžném komerčním startu na GTO.

Připojování sondy k raketě Ariane 5.

Připojování sondy k raketě Ariane 5.
Zdroj: http://spaceinimages.esa.int/

SMART-1 byla navrhnuta a většina jejich součástí byla postavena ve Švédsku. Celkově se na ni ale podílelo 8 členských států ESA. Sonda byla poměrně malá, měla tvar krychle o délce hrany 1 metr. Hmotnost při startu činila 367 kilogramů, přičemž 82 kg připadalo na xenon, který sloužil jako palivo pro iontový pohon a 15 kg na vědeckou výbavu. Výstupní rychlost ionizovaného plynu u motoru SEPP (Solar Electric Primary Propulsion), který byl vyroben francouzskou firmou SNECMA, byla úctyhodných 57 600 km/h. Avšak výsledný tah byl jen 68 mN při příkonu 1350 Wattů. Je nutno říci, že specifický impuls tohoto konkrétního iontového motoru byl v porovnání s konkurencí poměrně vysoký. S těchto čísel si můžete udělat představu, jak energeticky náročné jsou iontové pohony a jak malý je jejich tah. Díky extrémní vytrvalosti ale konkrétně tento motor dokázal pracovat více než 5000 hodin a výsledná Δv byla 3,9 km/s, což je velmi pěkný výkon. Pro udržování správné orientace v prostoru  pak byla sonda vybavena hydrazinovými tryskami.

Vědecké vybavení by se dalo rozdělit do dvou skupin. První obsahovala experimentální přístroje pro testování nových technologií a postupů a tu druhou tvořili experimenty pro výzkum samotného Měsíce. Popíši ty nejzajímavější z obou skupin. Přístroje EPDP a SPEDE podrobně diagnostikovaly práci iontového motoru. Konstruktéři potřebovali znát, zdali má motor nějaké vedlejší efekty nebo jestli reaguje s přirozenými elektrickými a magnetickými jevy v okolním vesmíru. Důraz byl také kladen na identifikaci možných problémů, jakými by mohli být deformace směru tahu motoru, eroze povrchů, zkraty, rušení rádiovými signály či hromadící se prach. To vše zvládly sledovat ony dva řečené přístroje. Dalším zajímavým přístrojem byl KaTE. Jeho prvořadým úkolem byla demonstrace nového typu rádiového spojení mezi Zemí a vzdálenou sondou. Vlny pásma Ka mohou být soustředěny do relativně malého paprsku pomocí menších, a tudíž i lehčích a levnějších parabolických antén. To při budoucích meziplanetárních misích nejen sníží náklady a hmotnost, ale umožní i rychlejší datový přenos. Spojení nebylo testováno jen touto cestou, ale také pomocí laseru, což je velmi náročné na přesné zaměření, kvůli obrovským vzdálenostem sondy od Země a jejímu rychlému pohybu. To však není to nejtěžší. Světelný paprsek, jak známo, se při přechodu mezi prostředími o různých hustotách láme. To je velký oříšek při cestě onoho laserového paprsku skrz mnoho různých vrstev zemské atmosféry. Zatímco vlivy atmosféry na světlo přicházející z vesmíru jsou dobře prozkoumány díky pozorováním hvězd, v opačném směru už toho tolik o chování světelných paprsků nevíme a tento výzkum je tedy velkou výzvou. Laserová komunikace se satelity už byla několikrát testována dříve, ale u sondy SMART-1 to bylo poprvé na tak velkou vzdálenost.

Mezi vědecké přístroje monitorující nejen Měsíc, ale částečně také Slunce patřila například AMIE – miniaturní barevná kamera pro snímání měsíčního povrchu ve viditelném a blízkém infračerveném pásmu. Její maximální rozlišení bylo 80 metrů na pixel. Dále to byly D-CIXS – rentgenový spektrometr a SIR – infračervený spektrometr. Tyto přístroje zachytávaly různé vlnové délky záření přicházejícího k nim z povrchu našeho souputníka a na základě těchto dat určovaly jeho chemické a mineralogické složení a geologickou historii. Nejen zkušenosti získané provozem těchto přístrojů, ale také zkušenosti z použití iontového pohonu budou poprvé využity u sondy BepiColombo, která se vydá k planetě Merkur v roce 2015.

Impozantní Ariane 5 je připravena ke startu číslo 162.

Impozantní Ariane 5 je připravena ke startu číslo 162.
Zdroj: http://spaceinimages.esa.int/

Začátkem září roku 2003 byla sonda SMART-1 vyzvednuta 30 metrů vysoko a byla umístěna na špici rakety Ariane 5. 26. září započal přesun rakety pomocí mobilní odpalovací plošiny na místo startu. Na řadě byly poslední přípravy před startem. Startovací okno bylo široké jen 19 minut. 27. září ve 20 hodin a 14 minut místního času, tedy v době, kdy v Evropě už kalendář ukazoval následující den, tmu jihoamerického kosmodromu v Kourou ozářily oslnivé plameny mohutných pomocných bloků na tuhá paliva a krajinou se nesl hromový řev motorů, který vše rozvibroval až do vzdálenosti několika kilometrů. První evropská sonda k Měsíci se vydala na svou dlouhou cestu. SMART-1 byla umístěna nejníže ze všech tří nákladů, které Ariane 5 tehdy vynesla na dráhu přechodnou ke geostacionární. Její odpojení od kuželovitého adaptéru tedy přišlo na řadu až jako poslední. V čase T+42 minut se tedy SMART-1 odpojila a byla tak umístěna na eliptickou dráhu 742 x 36 016 km, která byla skloněna vůči rovníku o 7°. Jejího řízení se ujalo operační centrum v Darmstadtu (ESOC). Sonda roztáhla své dva velké solární panely a zkontrolovala všechny palubní systémy. Zatímco ostatní dva spolucestující se chystali usadit na geostacionární dráze, SMART-1 si to zamířila desetkrát dále.

První zážeh iontového motoru přišel při čtvrtém obletu Země o tři dny později, tedy 30. září ve 14:25 středoevropského času. Z ESOCu byl vyslán povel k prvnímu testovacímu zážehu, který trval jednu hodinu. Stejný testovací zážeh motor SEPP podstoupil několik měsíců před startem ve vakuové komoře, kde bylo vše důkladně změřeno. Nyní přišly výsledky z „opravdového“ vakua a ukazovaly, že si motor vede ještě lépe. První evropský iontový motor ve vesmíru si tak vedl dobře.

Jeden z prvních snímků kamery AMIE. Vidět na něm můžete západní Evropu a kousek severní Afriky. Fotografování známého objektu je důležité pro pozdější kalibraci.

Jeden z prvních snímků kamery AMIE. Vidět na něm můžete západní Evropu a kousek severní Afriky. Fotografování známého objektu je důležité pro pozdější kalibraci.
Zdroj: http://spaceprobes.kosmo.cz/

Poté už následovaly pravidelné zážehy v perigeu, které pomalu zvyšovaly apogeum a natahovaly eliptickou oběžnou dráhu k Měsíci. Od 30. ledna do 24. února, tedy necelý měsíc, byl iontový motor neaktivní. To umožnilo vědcům poprvé uvést do provozu některé přístroje. Do té doby iontový motor pracoval dohromady 1700 hodin, spotřeboval 27,1 kg xenonu a poskytl souhrnné zvýšení rychlosti o 4392 km/h. Od 24. února se ale zase pokračovalo s pravidelnými zážehy trvajícími přibližně 1,5 hodiny. Opět k nim docházelo jednou za orbit v průběhu průletu perigeem. Strategie zážehů se později různě měnila, aby byla výsledná dráha co nejoptimálnější a nejdelší zážeh například trval necelých 57 hodin. S tím jak se SMART-1 přibližovala k oběžné dráze Měsíce, tak ačkoliv sonda ještě byla v gravitačním poli Země, Měsíc na ni začal působit a jednou za měsíc, přesněji za 27,4 dne, sondu výrazně gravitačně přitahoval. Měsíc byl se sondou v takzvané rezonanci. 19. srpna to bylo 5:1. Za jeden oblet Měsíce kolem Země tedy sonda obkroužila Zemi pětkrát. Za několik týdnů už to bylo jen 4:1, pak 3:1, až 15.11. jen 2:1. Poslední zážeh motoru před vstupem do gravitačního pole Měsíce nastal už během třetí rezonance a trval dva dny. 25. října přišel jen krátký čtyřhodinový korekční zážeh a poté sonda jen čekala na vstup do sféry gravitačního vlivu našeho přirozeného satelitu, který nastal během rezonance 2:1. Do té doby byl motor zažehnut 289x, pracoval dohromady 3650 hodin a spotřeboval 59 kg xenonu.

11. listopadu sonda prolétala libračním bodem L1 soustavy Země – Měsíc, kde jsou gravitační síly obou těles vyrovnány a poté vstoupila na vysoce eliptickou oběžnou dráhu kolem Měsíce. Oběžná doba trvala 89 hodin. Ihned začala další série zážehů v periluní, které za tři a půl měsíce snížily excentricitu orbity a zkrátily oběžnou dobu na 5 hodin. Na výslednou, téměř kruhovou polární dráhu, která už byla oběžnou dráhou operační, se sonda dostala 27. února 2005. Cesta jí tedy trvala rok a 5 měsíců! Od té doby už byl iontový motor použit jen několikrát, zejména kvůli zvyšování orbity z důvodu prodloužení mise. Orbita sondy byla jinak ponechána přirozenému vývoji. Oběžná dráha tělesa přirozeně není stabilní, jelikož na ni působí nejen gravitace Měsíce, ale také Země a Slunce. Měsíc samotný pak navíc nemá rovnoměrné rozložení své hmoty. Tyto vlivy tedy způsobují postupné změny dráhy sondy.

Mozaika okolí kráteru Pythagoras, který se nachází nedaleko severního měsíčního pólu.

Mozaika okolí kráteru Pythagoras, který se nachází nedaleko severního měsíčního pólu.
Zdroj: http://spaceinimages.esa.int

Už během úprav selenocentrické oběžné dráhy docházelo k postupnému zapínání vědeckých přístrojů a jejich kalibracím. Umístěním na finální operační oběžné dráze skončila první fáze mise s primárním úkolem otestovat možnosti a funkčnost iontového motoru a započala fáze druhá, která se již soustředila na samotný průzkum Měsíce. Jelikož byla sonda konstruována jako technologický demonstrátor, dala se mise považovat jako úspěšná a vše co přijde navíc, už bude jen bonus. Jaké bylo překvapení, když během úprav lunární orbity a oživovací fáze vědeckých experimentů SMART-1 přinesla první překvapivé objevy. Její přístroj D-CIXS poprvé v historii na povrchu Měsíce zaznamenal vápník, a to konkrétně v Moři nepokojů.

SMART-1 zkoumala náš Měsíc rok a půl. Za tu dobu úspěšně uskutečnila všechny naplánované technologické testy a poprvé komplexně zkatalogizovala seznam klíčových prvků měsíčního povrchu. Také například hledala vodu v kráterech v polárních oblastech nebo prověřovala teorii vzniku Měsíce, podle které se před více než čtyřmi miliardami prazemě srazila s menší planetou a z vyvržených trosek této srážky se vytvořil náš satelit.

Záblesk dopadu sondy na povrch Měsíce, který v infračerveném spektru vyfotili astronomové na Havaji.

Záblesk dopadu sondy na povrch Měsíce, který v infračerveném spektru vyfotili astronomové na Havaji.
Zdroj: http://upload.wikimedia.org/

Konec mise byl naplánován na 3. září 2006. Sonda byla navedena vstříc měsíčnímu povrchu v oblasti Jezera vznešenosti, které se nachází jižně od Moře vláhy na přivrácené straně. Samozřejmě se nejednalo jen o pouhý náraz a destrukci, ale o snahu získávat maximální množství dat až do úplného konce. Téměř všechny zásoby xenonu byly vyčerpány a sonda již byla schopna provést změnu rychlosti jen o pouhých 1,6 m/s. Vědci doufali, že sonda při dopadu vymrští do okolí co největší možné množství lunární horniny, které bude následně studováno a proměřováno pozemskými teleskopy. Dopad byl pozorovatelný ze západní polokoule a pozorování byla řízena ESOCem. Sonda dopadla rychlostí 7200 km/h, vytvořila kráter pozorovatelný ze Země a vymrštěný regolit pokryl přes 80 km2 plochy.

„Věda a technologie jdou při této vzrušující misi k Měsíci ruku v ruce. Země a Měsíc sdílí společnou historii více než 4 miliardy let. Důkladnější poznání Měsíce tedy pomůže lépe porozumět naši planetě a nabídne evropským i světovým vědcům cenné rady jak ji chránit.“ Vědecký ředitel ESA David Southwood krátce po startu sondy SMART-1 z Kourou.

 

Zdroje informací:
http://www.esa.int/
http://www.sscspace.com/
http://forum.kosmonautix.cz/
http://news.bbc.co.uk/
http://solarsystem.nasa.gov/
Letectví a kosmonautika, 8/2006

Zdroje obrázků:
http://spaceinimages.esa.int/
http://spaceinimages.esa.int/
http://spaceinimages.esa.int/
http://spaceprobes.kosmo.cz/
http://spaceinimages.esa.int/
http://upload.wikimedia.org/

ESA - 11. díl - Poprvé k Měsíci, 2.5 out of 5 based on 23 ratings
Pin It
(Visited 332 times, 1 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (23 votes cast)
(Visited 332 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)


2 komentáře ke článku “ESA – 11. díl – Poprvé k Měsíci”

  1. kopapaka napsal:

    Další výborný článek.
    Díky

Zanechte komentář