Pohled pod kůži: OSIRIS-REx (vědecké přístroje)

osiris-rex-sara-and-src-9-3-15_2374

Přichází čas na další článek určený pro milovníky technických detailů. Je tu další díl seriálu pohled pod kůži, ve kterém podrobně rozebíráme technické řešení důležitých kosmických sond. Dnes budeme pokračovat v představování mise OSIRIS-REX, přičemž konstrukci sondy jsme rozebrali v minulém díle, na dalších řádcích se budeme věnovat představení všech vědeckých přístrojů, které sonda nese. V dalším díle se naše pozornost zaměří na odběrný mechanismus TAGSAM a přespříští díl představí samotné návratové pouzdro. Pokud jste tedy připraveni na dlouhé čtení, náš článek je připraven. Pokud preferujete krátké články, tak tento nebude pro Vás – originální zdroj, ze kterého překládáme do češtiny obsahuje téměř 4500 slov.

Primárním úkolem sondy OSIRIS-REx je odebrat vzorek asteroidu a dopravit jej na Zemi, ale sonda nese velké množství zajímavých přístrojů určených pro bezkontaktní průzkum asteroidu Bennu. Dnes si proto představíme kamery a různé spektrometry, které nám pomohou prozkoumat složení materiálu na povrchu asteroidu. Čeká nás i výzkum pomocí gravitace, díky kterému budeme moci doslova nahlédnout pod povrch asteroidu. Sonda nese celkem šest vědeckých přístrojů – pět pro bezkontaktní (dálkový) průzkum a TAGSAM pro odběr vzorků. Navíc je tu komunikační systém, který zároveň slouží jako vědecký prostředek pro gravitační experimenty.

Kamerový systém OCAMS během zkoušek na testovacím stole

Kamerový systém OCAMS během zkoušek na testovacím stole
Zdroj: https://www.nasa.gov

OCAMS (OSIRIS-REx Camera Suite)
Ačkoliv je tento systém označován jedinou zkratkou, ve skutečnosti jej tvoří tři různé kamery, které mají jiné parametry a také úplně jiné úkoly. Konkrétně se jedná o tyto kamery:

  • PolyCam – Bude pořizovat teleskopické fotky (fotografickou hantýrkou „na dlouhé sklo“) během přibližování sondy k asteroidu Bennu a kromě toho se postará také o detailní fotky povrchu v době, kdy sonda poletí s asteroidem ve formaci.
  • MapCam – Má za úkol pořizovat barevné fotky a také by měla hledat, zda kolem Bennu nekrouží nějaké přirozené satelity, nebo chcete-li měsíčky.
  • SamCam – Kamera , jejímž úkolem je pořizovat kontextové snímky během odběru vzorků systémem TAGSAM.

Celý systém OCAMS byl navržen a postaven na Lunar and Planetary Laboratory pod křídly University of Arizona. Jako první si představíme kameru PolyCam, která se aktivuje už ve vzdálenosti 2 miliony kilometrů od asteroidu (pro lepší představu je to zhruba šestinásobek vzdálenosti Měsíce od Země). Jedná se o teleskop s průměrem 20,3 cm s ohniskovou vzdáleností 63,5 cm. Jak již padlo na předchozích řádcích, tato kamera je bez přehánění teleobjektiv – zorné pole je široké jen 0,8°.

Kamera PolyCam

Kamera PolyCam
Zdroj: spaceflight101.com

Samotný teleskop je postaven v uspořádání Richey-Chretien – najdeme v něm hyperbolické primární zrcadlo a hyperbolické sekundární zrcadlo pro eliminaci optických chyb ve srovnání s tradičními zrcadlovými teleskopy, které mají navíc užší zorné pole. Kamera PolyCam se díky svým konstrukčním parametrům může pyšnit tím, že dokáže zaznamenat i hvězdy 12. magnitudy. Jejím prvním úkolem bude potvrdit, že se cílový asteroid nachází v takové vzdálenosti, kde by měl být a následně kamera opticky pomůže při navigaci k cíli.

Po přiblížení PolyCam svůj význam neztratí, právě naopak – poskytne detailní snímky povrchu a má odhalit například nebezpečná místa, ze kterých nebude možné odebrat vzorky. Samotný název PolyCam vznikl proto, že tato kamera plní dva výše popsané důležité úkoly. Bude sbírat teleskopické snímky z velké vzdálenosti a poskytne i velmi detailní snímky povrchu. Tohle ohromné rozpětí bude možné jen díky mechanismu, který se postará o správné zaostření.

Na detailních snímcích z PolyCam bude možné charakterizovat velikost  balvanů a kamínků na povrchu, přičemž se počítá s tím, že kamera podrobně nasnímá nejméně 12 lokalit, které by připadaly v úvahu pro odběr vzorků. Ten se odebere jen z jednoho místa, ale fotky jistě potěší nejednoho fanouška kosmonautiky. A podle všeho se máme na co těšit – rozlišení této kamery by mělo umožnit rozeznat na povrchu i kamínky široké pouhé dva centimetry.

Kamera MapCam

Kamera MapCam
Zdroj: spaceflight101.com/

Kameru MapCam čekají úkoly ve střední vzdálenosti od asteroidu. Kromě již zmíněného hledání jeho přirozených satelitů bude hledat i případné plynné výtrysky z povrchu, ale (jak již název napovídá) pomůže vytvořit globální barevnou mapu asteroidu, byť ne v tak dobrém rozlišení jako to umí PolyCam. Optickou soustavu této kamery tvoří pět čoček a otočné kolo s filtry, které leží mezi optickou soustavou a ohniskem, kam se paprsky sbíhají. Díky tomu může kamera MapCam pořizovat multispektrální snímky v širokém spektru.

Zmíněné kolo má osm okének, ve kterých jsou umístěny jednotlivé filtry. Ty umožní jak barevné snímkování (filtr modrý, zelený a červený), ale i snímání v blízké infračervené oblasti. Jedno okénko je prázdné pro pořizování monochromatických fotek a v dalších jsou dioptrické čočky, které umožní ostré snímkování i v bližší vzdálenosti od povrchu. Zorné pole kamery MapCam je široké 4°.

Ze vzdálenosti pěti kilometrů by měla tato kamera nafotit povrch celého asteroidu během jeho otočky kolem osy za 4,3 hodiny s rozlišovací schopností 0.17°. Výše zmíněné doostřovací čočky pomohou ve vzdálenostech pod 30 metrů od povrchu, kdy tato kamera vyfotí místo odběru vzorků.

Kamera SamCam

Kamera SamCam
Zdroj: spaceflight101.com

Zatímco PolyCam byla určena na snímání na dlouhé vzdálenosti, MapCam na střední dálku snímání, na závěr tu máme SamCam, která je určena k blízkému focení. Jejím úkolem je fotit místo odběru vzorků a ověřit, že k němu došlo správně – tato kamera pořídí i několik fotek odběrového zařízení a ověří tak správnost celého procesu. Zorné pole této kamery je 21° a i ona disponuje kolem s filtry. Tři filtry jsou identické a na čtvrté pozici najdeme dioptrický filtr. Ptáte se proč jsou tři filtry identické?

Odpověď je jednoduchá – sonda OSIRIS-REx bude mít tři možnosti odebrat vzorky. Každý pokus – ať již úspěšný, nebo ne – zvíří z povrchu velké množství prachu, což bude mít na svědomí uvolnění stlačeného dusíku z odběrného mechanismu. Díky otočení kola tak kamera odsune znečištěný filtr a bude mít opět čistý výhled. Poslední filtr – dioptrický – přijde ke slovu pouze ve chvíli, kdy bude z jakéhokoliv důvodu potřeba pořídit snímky odběrného mechanismu z opravdu velké blízkosti.

Detektory kamer OCAMS

Detektory kamer OCAMS
Zdroj: spaceflight101.com

Všechny tři kamery OCAMS používají shodný systém detektorů v ohnisku, jejichž rozlišení je 1024 × 1024 obrazových bodů. Výrobu těchto čipů zajistila společnost Teledyne Dalsa – každý z nich váží 0,6 kg a řekne si o 5,3 W elektrické energie. Detektory používají závěrku typu frame transfer a všechny tři kamery společně sdílí systém Camera Control Module, který je nainstalován pod nákladovým patrem. Tato jednotka zodpovídá za konverzi analogového signálu na digitální, ale i za kompresi snímků, jejich ukládání, stejně jako posílání pokynů ke všem kamerám.

Ve vesmíru prochází systém OCAMS složitým kalibračním procesem, ke kterému slouží různé postupy. Jde třeba o geometrickou kalibraci, při které se pořídí několik fotek hvězd a z těchto snímků se následně dopočítá případnou deformaci. Radiometrická kalibrace také využívá snímání hvězd, k dispozici jsou i zakrývací filtry pro nafocení temných snímků, které pomohou odhalit případné vadné pixely. Ideální příležitost ke kalibraci přijde příští rok, až se OSIRIS-REx vrátí k Zemi na gravitační manévr a bude fotit Zemi i Měsíc.

Graf zobrazující využití kamer OCAMS

Graf zobrazující využití kamer OCAMS
Zdroj: spaceflight101.com

Během přibližování k asteoridu Bennu se nejprve použije kamera PolyCam, která by měla ze vzdálenosti dvou milionů kilometrů odhalit na hvězdném pozadí asteroid Bennu.  Kromě již zmíněné optické navigace mohou tyto fotky z přibližovací fáze pomoci k přesnému určení rychlosti rotace, fázové křivky a další veličiny, které ověří, zda data pořízená pozemními přístroji byla správná. Snímky z PolyCam z velké vzdálenosti navíc pomohou vytvořit předběžný odhad tvaru asteroidu.

Po příletu k Bennu nastane seznamovací fáze. Během ní bude sonda navedena na polární oběžnou dráhu – sonda tak bude mít možnost nasnímat asteroid z různých úhlů při různých úrovních osvětlení. Očekává se, že při této fáze bude v monochromatických a plnobarevných fotkách nasnímáno nejméně 80% povrchu. Tyto mapy se použijí ke zpřesnění modelu tvaru asteoroidu, identifikují velké krátery, balvany a další výrazné povrchové útvary. Analýzou povrchu bude vytipováno 12 lokalit, které by mohly být vhodné pro odběr vzorků.

Řídící jednotka kamer OCAMS

Řídící jednotka kamer OCAMS
Zdroj: spaceflight101.com

Po seznamovací fázi sonda upraví svou dráhu tak, aby přelétala nad terminátorem – hranicí světla a stínu. Na této dráze se vyruší přitažlivost asteroidu a radiační tlak od Slunce. Sonda bude obíhat pouhý kilometr od středu asteroidu, tedy jen pár set metrů nad povrchem. V této fázi má kamera PolyCam pořizovat snímky s rozlišením 5 centimetrů. Detailní fotky poslouží ke zmapování oblastí vytipovaných pro odběr vzorků. Analýza podrobných fotek umožní redukci vhodných kandidátů ze 12 na 4.

Následovat bude průzkumná fáze, která obnáší přelety nad čtyřmi vytipovanými oblastmi. PolyCam v této fázi naplno vyžije svůj přeostřovací mechanismus, který z dalekohledu udělá doslova mikroskop. Cenné informace o těchto lokalitách pomohou poznat, jak na tom jednotlivé oblasti jsou, hledat se budou potenciálně nebezpečné útvary, které by mohly odběr vzorků zkomplikovat. Odborníci budou na snímcích hledat, zda vybraná místa obsahují dostatek malých (menších než 2 cm) částic, které tvoří regolit.

Jakmile se vybere finální lokalita, začne fáze příprav a kontrol všech potřebných systémů. Kamera MapCam bdue v této fázi pořizovat fotky povrchu ze vzdálenosti 30 metrů a i zde přijde ke slovu přeostřovací mechanismus. V této fázi se sonda srovná s rotační periodou asteroidu, což jí umožní prodloužit dobu snímkování odběrného místa.

Při samotném zlatém hřebu mise, tedy odběru vzorků bude kamera SamCam pořizovat fotky každou sekundu. Snímky tak budou zachycovat jak nedotknutý povrch, tak i samotný odběr a stav po něm. Ze srovnání fotek pořízených před a po odběru budou moci odborníci vyčíst mnoho informací o morfologii celé lokality. Kamera SamCam pak bude mít ještě jeden úkol – nasnímat odběrnou hlavu se vzorky a poskytnout tak vizuální potvrzení, že odběr byl úspěšný.

Přístroj OLA

Přístroj OLA
Zdroj: spaceflight101.com

OLA – OSIRIS-REx Laser Altimeter
Tento přístroj je v podstatě lidar, tedy systém fungující jako radar, jen využívající laserový paprsek. Jeho úkolem je pořizovat přesné topografické mapy povrchu asteroidu Bennu a generovat lokální mapy odběrných míst. Tato data pomohou dosadit informace z ostatních přístrojů do širšího kontextu a navíc se OLA použije ke kontrole vzdálenosti sondy od povrchu.

Přístroj bude skenovat povrch v pravidelných intervalech, aby bylo možné co nejrychleji zmapovat celý povrch. Tato data jsou důležitá, protože se na jejich základě vypočítá tvar asteroidu a také jeho těžiště. To je nezbytné pro správná gravitační měření, kterým se budeme věnovat na konci článku. Vývoj tohoto přístroje zajišťuje Kanadská kosmická agentura, přičemž výrobu obstaraly společnosti MDA a Optec Inc. V tomto přístroji můžeme najít historický odkaz na satelit XSS-11, který na oběžné dráze Země zkoušel autonomní setkávací procesy. Podobný systém využívala i americká sonda Phoenix jako svůj přistávací radar.

OLA při zkouškách v Goddardově středisku

OLA při zkouškách v Goddardově středisku
Zdroj: spaceflight101.com/

Jak jsme již napsali výše, lidar využívá funkce laserového výškoměru a posílá světelné pulsy k cíli a zaznamenává jejich odrazy. Díky tomu vypočítá vzdálenost sondy od povrchu a získá informace o tvaru cílového tělesa. OLA využívá hned dvou laserových zdrojů a jednoho přijímacího senzoru. Dříve se používaly pouze systémy s jedním laserovým zdrojem a OLA tak zkouší rozšířit možnosti celého systému. Druhý laser má posloužit pro měření na dlouhé vzdálenosti.

Oba světelné zdroje využívají stejný základ a tím je Nd:YAG (neodymem dopovaný yttrum aluminium granátový) laser s vlnovou délkou 1064 nanometrů. Laser s vysokou energií pracuje s frekvencí 100 Hz, tedy se 100 pulsy za sekundu, kdy má každý puls 1 mJ. Nízkoenergický laser sází na vyšší frekvenci – 10 kHz, tedy 10 000 pulsů za sekundu – a každý puls má energii 10 µJ (mikrojoule).

Návrh přístroje OLA

Návrh přístroje OLA
Zdroj: spaceflight101.com

Laserové paprsky míří na pohyblivé scanovací zrcadlo, o jehož pohyb se starají elektromagnetické hybné prvky se schopností rychlého zamíření. S tímto systémem (a pomocí citlivého sběrného senzoru) dokáže OLA každou sekundu provést 10 000 měření. Zrcadlo je pohyblivé ve dvou osách a každý směrem se může naklonit maximálně o 7°.

OLA dokáže pracovat maximálně na vzdálenost 7,5 kilometru a maximální blízkost je 200 metrů. Přesnost měření kolísá podle vzdálenosti od cíle mezi 5 – 30 centimetry. Šířka laserového paprsku na povrchu se bude měnit od 1,5 cm do dvou metrů. V průběhu celé mise by měl tento přístroj zmapovat tvar celého asteroidu s přesností na 7 centimetrů.

Zatímco vysokoenergetický laser poslouží ve vzdálenost 7,5 – 1 kilometr od povrchu, jeho nízkoenergetický kolega pomůže v bližších vzdálenostech pod jeden kilometr. Výsledkem měření bude silně zahuštěný trojrozměrný oblak bodů, který umožní zmapovat povrch Bennu. A nepůjde jen o ledajaký model, ale o vůbec nejpřesnější trojrozměrné zmapování malého kosmického tělesa v historii. Data o sklonu terénu navíc najdou uplatnění při přípravě na odběr vzorků. Při gravitačních měřeních bude OLA plnit důležitou roli tím, že změří vzdálenost sondy od povrchu.

Schéma fungování

Schéma fungování
Zdroj: spaceflight101.com

OLA se s Bennu poprvé seznámí ve vzdálenosti 7 kilometrů a během seznamovací fáze dokončí základní skenování ze vzdálenosti 5 kilometrů. Jakmile sonda klesne do výšky 1 kilometru, začne OLA pracovat kontinuálně, aby sbírala podpůrná data pro gravitační výzkum. Stejně tak bude pracovat i na mapovací kampani s nejvyšším možným globálním rozlišením. Při průzkumné fázi přijdou průlety ve výšce několika set metrů nad povrchem a OLA bude vytvářet extrémně přesné modely odběrných lokalit.

Jak již bylo zmíněno, přístroj OLA pomůže prozkoumat nejen povrch asteroidu, ale nepřímo i jeho vnitřní vrstvy včetně jejich hustoty, a heterogenity (opak homogenity). Tím pomůže lépe pochopit, jak se asteroid vytvořil a vyvíjel.

OVIRS – OSIRIS-REx Visible and Infrared Spectrometer
Jedná se o jeden z tří spektrometrů, které sonda nese na své palubě. Tato trojice prohlédne Bennu v různých částech spektra, aby co nejlépe prozkoumala jeho složení a lépe pochopila mineralogii. Kýženým výsledkem je samozřejmě hledání organických látek.

Spektrometr OVIRS

Spektrometr OVIRS
Zdroj: spaceflight101.com/

OVIRS je bodový spektrometr, který sbírá informace analýzou vlnových délek viditelného a infračerveného světla, které se odrazilo od konkrétního místa na povrchu. Díky otáčení asteroidu kolem své osy a s přispěním otáčení sondy kolem optické osy spektrometru vzniknou postupně pásy ukazující složení látek na povrchu. Tento spektrometr pokrývá rozpětí vlnových délek 0,4 – 4,3 µm a jeho cílem je postupně vytvořit globální mapu povrchu celého asteroidu s rozlišením 20 metrů. Senzory jsou schopné detekovat látky jako jsou uhličitany, křemičitany, sírany, oxidy, pohlcená voda a různé organické látky.

Světlo vstupující do přístroje OVIRS dopadne na mimo osu uložené parabolické zrcadlo, které odrazí pouze proužek široký 4 mrad (miliradian). Toto odražené světlo je následně kolimováno druhým parabolickým zrcadlem umístěným taktéž mimo osu. Toto zrcadlo pak odrazí světelný paprsek na ohniskovou desku. OVIRS využívá různých klínových filtrů, které se dají umístit před detektor, aby vytvořily spektrum.Vlnové délky paprsků procházející přes tyto dvojrozměrové filtry se mění podle prostorového umístění filtru. Každý region detektoru tak obdrží jen specifické vlnové délky.

Útroby přístroje OVIRS

Útroby přístroje OVIRS
Zdroj: spaceflight101.com

Tento design byl vybrán pro svou flexibilitu a relativní jednoduchost ve srovnání se spektrometry štěrbinového typu, které používají komplexní optickou soustavu a potřebují rozptylové prvky. Spektrometry využívající Fourierovy tranformace zase potřebují propracovaný skenovací mechanismus. Detektor přístroje OVIRS používá oblast s rozlišením 510 × 512 obrazových bodů na rtuť-kadmium-telluridovém H1RG aparátu s rozlišením 1024 × 1024 pixelů.Tento aparát je postaven na sloučeném základu fotosenzitivních pixelových elementů s čtecím integrovaným obvodem CMOS přes indiové spoje.

Spektrometr dosahuje spektrálního rozlišení lepšího než 7,5 nm pro viditelné světlo (vlnové délky 400 – 900 nm), lepší než 13 nm pro blízkou infračervenou oblast (0,9 – 1,9 µm) a lepší než 22 nm pro infračervenou oblast (1,9 – 4,3 µm). Kromě toho přístroj pomocí druhého filtru pokývá spektrum 2,9 – 3,6 µm s rozlišením pod 10 nm – právě zde se bude číhat na organické látky, které už byly na asteroidech objeveny.

Filtry přístroje OVIRS

Filtry přístroje OVIRS
Zdroj: spaceflight101.com

Filtry přístroje OVIRS jsou tvořeny pěti segmenty o velikosti 102 × 512 pixelů a jsou spojeny do jednoho bloku, který se nachází méně než milimetr od detektoru. Přenesená vlnová délka se mění podél řady 512 pixelů a v každém ze 102 sloupců pokrývá specifickou vlnovou délku. Po celé délce filtru tak vzniká spektrum a systém navíc dokáže odfiltrovat rušivé vlivy. Pixely, na které připadnou středové vlnové délky jejich filtrových oblastí budou sečteny a zprůměrovány.

Elementy detektorů tvoří dvou stupňový  pasivní radiátor mířící do vesmíru, který udržuje ohniskovou desku na teplotě 105 K. Důvodem je snaha zredukovat tmavé proudy. Chladná překážka v optické dráze sníží tepelný šum z obalu přístroje, který by se jinak ukázal ve spektru. Optika je chlazena na méně něž 160 K s pomocí připojených radiátorů. Termální design byl pečlivě optimalizován, aby dokázal zachytit fotonový šum a přitom odstínit tepelný šum s výjimkou nízkých teplot na asteroidu.

Samotný přístroj OVIRS je podporován jednou elektronickou krabičkou, která obsahuje tři panely – nízkonapěťový energetický zdroj, řídí a datová jednotka (Command & Data Handling board), která posílá energii do přístroje, kontroluje jeho funkce a vykonává pokyny včetně údržby systému. Třetí panel ukrývá systém který se stará o digitalizaci snímků a jejich zesílení. Právě tento panel se stará o správnou funkci ohniskové desky, zajišťuje převod z analogové do digitální formy, zesiluje signál a stará se o přesné načasování detektorů. Všechny panely jsou funkčně redundantní.

OTES – OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer
Druhý spektrometr na palubě sondy pokrývá infračervenou oblast spektra a má za úkol poskytnout doplňující měření k výsledkům z OVIRS především při posuzování mineralogického složení. Dalším úkolem je posouzení tepelného záření, které opouští povrch asteroidu. OTES je podobně jako OVIRS bodový spektrometr, který se dívá najeden bod na povrchu a využívá rotace sondy k pokrytí asteroidu snímkovacími pásy. Na rozdíl od OVIRS používá OTES interferometr Fourierovy transformace. Odkaz tohoto přístroje můžeme vystopovat až u sondy Mars Global Surveyor, nebo u marsovských vozítek Spirit a Opportunity. OTES vznikl na School of Earth and Space Exploration v rámci Arizona State University.

Návrh spektrometru OTES

Návrh spektrometru OTES
Zdroj: spaceflight101.com

Přístroj pokrývá vlnové délky 4 – 50 µm a dokáže najít stopy všech hlavních minerálů, které se dají očekávat na asteroidu Bennu. Jeho výhodou je i to, že dokáže sledovat přítomnost vody obsažené v minerálech. Spektrální rozsah navíc pokrývá i oblast tepelného vyzařování z asteroidu. Právě sledování tohoto fenoménu poskytne mimořádně cenná data, která prozradí mnoho informací o povrchu – například průměrnou velikost zrnek regolitu.

Interferometr Fourierovy transformace (Fourier Transform Interferometer – FIT) čerpá paprsky z teleskopu typu Ritchey-Chretien o průměru 12,5 cm. Zření tak dopadne na hyperbolické primární a následně hyperbolické sekundární zrcadlo , což eliminuje optické chyby mimo osu pohledu. Teleskop tak disponuje zorným polem 8 mrad.

Útroby přístroje OTES

Útroby přístroje OTES
Zdroj: spaceflight101.com

Základním pracovním principem Michelsonova interfermetru, který používá přístroj OTES, je rozdělení přicházejícího světla na dvě poloviny. Jedna polovina se odrazí od pevného zrcadla přímo do detektoru, zatímco druhý svazek paprsků se odrazí od posuvného zrcadla a pak projde do detektoru, takže vznikne časový posun. Tím vznikne optická interference na detektoru, která se liší podle konkrétního nastavení časového rozdílu. Algoritmus Fourierovy transformace umožňuje rekonstruovat celé spektrum z mnoha datových bodů podle různé polohy zrcadla.

Tento typ spektrometru je mnohem komplexnější než tradiční štěrbinový spektrometr, nebo typ, který používá OVIRS, ale odměnou za to je mnohem lepší rozlišení. OTES používá rozdělovač paprsku vytvořený diamanty vzniklými chemickou depozicí z plynné fáze – to zajistí stabilitu a také (možná trochu překvapivě) odolnost proti vodě. OTES vytvoří jedno spektrální měření každé dvě sekundy a dosahuje spektrálního rozlišení 10 cm^-1. Jeho prostorové rozlišení záleží na vzdálenosti od povrchu. Na vzdálenost 5 kilometrů je to 40 metrů a při blízkých průzkumných průletech toto rozlišení klesne až na 4 metry.

Skutečný exemplář - na snímku je vidět zařízení starající se o pohyb zrcadla i dělič paprsku

Skutečný exemplář – na snímku je vidět zařízení starající se o pohyb zrcadla i dělič paprsku
Zdroj: spaceflight101.com

Přístroj OTES nepotřebuje chlazení, přesto i on obsahuje optickou překážku na vstupu, která omezuje šum způsobený slunečním zářením. Kalibrace probíhá pomocí integrovaného kónického tmavého tělesa a pozorování tmavého vesmíru. Přímo pod spektrometrem bychom našli elektrický box, který ukrývá řídící systémy a systémy zodpovídající za zásobování přístroje energií.

Přístroj REXIS

Přístroj REXIS
Zdroj: spaceflight101.com

REXIS – Regolith X-Ray Imaging Spectrometer
Tento poslední spektrometr si zaslouží speciální pozornost – jde totiž o experiment vzniklý díky studentské spolupráci mezi MIT a Harvard University. Úkolem spektrometru je vytvoření globální rentgenové mapy asteroidu Bennu, což obohatí možnosti dálkového průzkumu této mise. Přístroj REXIS váží 4,4 kilogramu a zkoumá složení materiálů na povrchu asteroidu. Zaměřuje se na přítomnost a rozložení vybraných prvků a využívá k tomu měkké rentgenové záření, které vzniká jako projev fluorescence, jejíž původ je ve slunečním záření. Data z tohoto přístroje doplní výsledky ze dvou výše představených spektrometrů tím, že budou pocházet z opačného konce elektromagnetického spektra.

Schéma přístroje REXIS

Schéma přístroje REXIS
Zdroj: spaceflight101.com

REXIS dokáže určit přítomnost prvků v globálním měřítku s rozlišením 50 metrů. Umožní tak prozkoumat lokální změny ve složení povrchových materiálů. Hlavní pozornost tohoto přístroje bude zaměřená na hořčík, železo, síru a křemík. Jedná se o klíčové prvky, které pomáhají klasifikaci meteoritů. Jelikož REXIS ke své práci potřebuje sluneční záření, které dá vzniknout rentgenové fluorescenci, je nutné přesně znát aktuální parametry Slunce a jeho záření. Z rentgenového spektra se totiž musí odečíst efekt solárních emisí.

Samotný přístroj REXIS se skládá ze tří samostatných subsystémů. Prvním je hlavní detektor a sestava kolimátoru, druhým je elektronický box a sestavu doplňuje sluneční rentgenový monitor umístěný na straně, která míří ke Slunci. Spektrometr měkkého rentgenového záření má rozměry 32 × 14 × 20 centimetrů. V jeho útrobách se ukrývají čtyři senzory CCD (Charged Coupled Devices) uložené ve formaci 2 × 2 – to jsou detektory tohoto přístroje. Detektory jsou uloženy pod děrovanou maskou (Coded Aperture Mask) se 64 pixely.

Maska s otvory

Maska s otvory
Zdroj: spaceflight101.com/

Snímkování probíhá umístěním masky s otvorem o velikosti špendlíkové hlavičky před detektor, takže posun stínu může prosadit dekonvoluci vedoucí k určení místa, kde se na asteroidu nachází zdroj rentgenového záření. Přístroj má zorné pole široké 30° a jeho prostorové rozlišení dosahuje 5,6 metru ve chvíli, kdy je sonda kilometr od povrchu.

Výše zmíněná maska se umísťuje 20 centimetrů před detektor a sedí na vstupu záření do přístroje. Jedná se o 100 µm silný plát nerezové oceli a prázdná místa, tedy samotné pixely tvoří 50% povrchu. Na masce je umístěna i radiační krytka, která má za úkol chránit detektor během dlouhé přeletové fáze a otevře se až na začátku pozorovací kampaně u asteroidu.

Samotný modul s detektorem má rozměry 37 × 20 centimetrů a ukrývá 4 prvky detektorů. Jako kalibrační zdroj se používá železo-55. Tento vzorek se umístí před detektor, aby jej plně saturoval fotony s energií 5,89 keV. Přístroj pak měří zisk z detektoru a tato data porovnává s energií známého zdroje. Díky tomu je možné dopočítat energie ostatních fotonů.  Další kalibrační metodou je neustálé měření kosmického pozadí v době, kdy asteroid nebude pokrývat celé zorné pole. Díky tomu bude možné změřit kosmické pozadí na okrajích snímků.

Ohnisková plocha přístroje REXIS

Ohnisková plocha přístroje REXIS
Zdroj: spaceflight101.com

Vše doplňují elektronické podpůrné systémy. Každý ze čtyř  MIT-Lincoln CCD sestává z pole 1024 × 1024 senzorů a pokrývá energetické rozmezí 0,3 – 10 keV – optimální pozorovací rozsah je trochu menší – 0,5 – 7,5 keV. Detektory pracují s energetickým rozlišením až 130 eV.

Na detektoru bychom našli 220 nm silnou vrstvu hliníku, která zodpovídá za blokování viditelného světla – přes tuto překážku pronikne do detektoru jen rentgenové záření. Po zásahu rentgenovým fotonem vytvoří fotoefekt na CCD panelů volné elektrony, které jsou zachyceny jakožto výstupní signál, který tento detektor dokáže přečíst. Tento signál může být dekódován a umožní určit energii tohoto fotonu a z toho už se dá určit, ve kterém materiálu tento foton vznikl.

CCD detektoryp řístroje REXIS pracují s pevným časovým rámcem 4 sekundy a využívá dvou oblastí pro ukládání snímků (frame store area), které následně přečte jeden ze čtyř výstupových uzlů na každém CCD. O digitalizaci se stará 12-bitový konvertor z analogového pojetí na digitální. Tento přístroj také převádí jednotlivé snímky do jakýchsi databází, ve kterých jsou zaznamenány změny a opatřuje je i časovými značkami. Tím klesá řádově přenosová náročnost.

Studenti Harvard University při stavbě přístroje REXIS

Studenti Harvard University při stavbě přístroje REXIS
Zdroj: spaceflight101.com

Další postup pro snížení objemu dat spočívá v metodě označované jako pixel binning. Při něm jsou oblasti obrazových bodů 8 × 8 sloučeny do superpixelů o velikosti 0,192 mm. Zatímco samotný přístroj založený na kolimátoru by dosáhl úhlového rozlišení 28 cm, skutečné rozlišení přístroje REXIS na vzdálenost 730 metrů bude 7,3× menší. Vinu na tom nese integrovaný časový rámec přístroje, pohyb sondy i asteroidu a další limity spojené s návrhem děrované masky.

Jak jsme již psali výše, tento přístroj potřebuje vědět, jaké záření zrovna Slunce vysílá. O měření tohoto spektra se stará samostatný systém SXM (Solar X-Ray Monitor). Odborníci zvolili tento typ kvůli jeho schopnostem přesně měřit široké spektrum záření od naší hvězdy, které musí být pro správnou funkci REXIS důkladně zmapováno.

SXM se nachází na stěně sondy, která míří ke Slunci, naopak REXIS najdeme na opačné straně, která bude mířit k asteroidu. Srdcem detektoru SXM je detektor SSD (Silicon Drift Detector – křemíkový driftový detektor), který vyrobila společnost Amptek s využitím relativně běžných obvodů. Tento detektor má aktivní oblast o ploše 25 mm2 a detekční hloubka dosahuje 500 µm. Vše je uloženo v půl milimetru silném ochranném pouzdru z berylia, které má za úkol blokovat optické spektrum. Chlazení zajišťuje termoelektrický článek, který i při přímém osvětlení slunečním svitem udrží teplotu detektorů pod 0°C.

Přístroj SXM zvládá pokrýt spektrum od 1 do 20 keV s přesností 125 eV na 5,9 keV. Sluneční rentgenové spektrum se může změnit v časovém období deseti minut, ale klidně i několika dní. Samotné změny v toku pak dosahují až tří řádů. SXM tedy musí pracovat nepřetržitě, aby dal všem ostatním spektrometrům správný kontext.

Hlavní spektrometr přístroje REXIS je tepelně oddělen od zbytku sondy a ukrývá i radiátor, mířící při vědeckém pozorování do volného vesmíru – chladič dokáže udržet teplotu ohniskové desky na -60°C. Na běžné oběžné dráze, kdy sondě zabere jeden oběh 27 hodin, OSIRIS-REx bude minimálně 11 hodin mířit k asteroidu svou stěnou s vědeckými přístroji a umožní jim tak kvalitní dálkový průzkum.

Gravitační výzkum
Abychom odhalili vnitřní strukturu asteroidu Bennu, bude OSIRIS-REx podrobně měřit jeho gravitační pole, jehož analýza umožní virtuálně nahlédnout do vrstev ležících pod povrchem. Stejně jako jiné podobné mise, použije i tato sonda svůj komunikační systém při výměně dat s pozemskou sítí teleskopů DSN. Pro vyhodnocení se použije jak Dopplerův jev, tak i metoda Delta-DOR.

Hlavní anténa sondy OSIRIS-REx

Hlavní anténa sondy OSIRIS-REx
Zdroj: spaceflight101.com

S využitím radiových měření je možné získat velmi detailní měření gravitačního pole, přesné odhady rozložení hmoty v jeho útrobách, zpřesní efemeridy asteroidu a mnoho dalších údajů o fyzikálních vlastnostech tohoto objektu. Lokální změny v gravitaci mohou působit na sondu na oběžné dráze a způsobit, že drobně zrychlí, nebo zpomalí. Tyto změny v dynamice pohybu je možné zaznamenat pomocí Dopplerova posunu pomocí transpondérů v pásmu X, tedy v komunikačním zařízení sondy.

Pro gravitační výzkum je potřeba, aby vysokozisková anténa mířila přímo k Zemi. Odesílané signály tak může zachytit pozemní síť teleskopů DSN. Jako odpověď pošle DSN vstříc sondě signál obsahující tóny, které využívají fázovou modulaci. Jakmile sonda obdrží tyto tóny, pošle je hned zpět v pásmu X. Pozemní stanice DSN zaznamená čas odeslání i přijetí, aby bylo možné vypočítat vzdálenost sondy od Země. Po zpracování dat s přihlédnutím ke zpožděním na straně elektroniky (ať už pozemní, nebo na sondě), ale i na straně ovlivnění průchodem atmosférou, ionosférou, meziplanetárním plasmatem a relativistickými efekty, je možné dosáhnout přesnosti méně než jeden metr.

Velmi dlouhý díl našeho seriálu Pohled pod kůži je u konce a dnes více než kdy jindy chci poděkovat všem, kteří dočetli až sem. Jak je už u tohoto seriálu tradicí, chtěl bych podotknout, že jsme při jeho psaní narazil na nemálo míst, kde mne používané odborné termíny výrazně překvapily. Vždy jsem se snažil o co nejpřesnější překlad, ale mohlo se stát, že jsem nějaký terminus technicus pochopil špatně. Pokud tomu tak je, budu rád za upozornění v komentářích a chybu pochopitelně opravím. A milovníci tohoto seriálu se už teď mohou těšit na příští díl, ve kterém se podíváme na zařízení TAGSAM urečné k odběru vzorků. Už nyní mohu slíbit, že tam nás takto dlouhý článek nečeká.

Zdroje informací:
http://spaceflight101.com/
https://www.youtube.com/

Zdroje obrázků:
http://spaceflight101.com/…/103/2016/08/osiris-rex-sara-and-src-9-3-15_2374.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/osiris-rex-ocams-suite.jpg
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/polycam.png
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/mapcam-1.png
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/samcam.png
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/osirisrex-22.jpg
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/ccm.png
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/osirisrex-24.jpg
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/OLANASA.jpeg
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/ola-05.png
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/ola-01.png
http://spaceflight101.com/osiris-rex/…/ovirs_gsfc_20150619_2015-12655_019-023.jpg
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/ovirs-diagram.png
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/ovirs-filter.png
http://spaceflight101.com/osiris-rex/…/sites/103/2016/08/otes_exploded_view.jpg
http://spaceflight101.com/osiris-rex/…/103/2016/08/interferometer_cdr.jpg
http://spaceflight101.com/osiris-rex/…/2016/08/interf_assy_on_vibe_fixture.jpg
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/rexis-em.png
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/osirisrex-25.jpg
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/rexis-mask.png
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/osirisrex-27.jpg
http://spaceflight101.com/osiris-rex/…Building_REXIS_MASTER_youtube_hq_print.jpg
http://spaceflight101.com/osiris-rex/wp-content/uploads/sites/103/2016/08/hga_bare.jpg

Pin It
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

GD Star Rating
loading...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

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


12 komentářů ke článku “Pohled pod kůži: OSIRIS-REx (vědecké přístroje)”

  1. Štěpán napsal:

    V textu jsem našel 2 překlepy (šlo ale jen o špatně napsanou mezeru mezi slovy, takže to šlo lehce pochopit). Až to v tom textu najdu, napisu kde to je 🙂
    Dále bych měl malou výtku- „heterogenita (=opak homogenity)“ – pokud někdo ví, co to je homogenita, tak pravděpodobně zná i heterogenitu, takže to je dodáno dle mě zbytečně.
    A na závěr bych měl ještě otázku – u skoro všech teleskopů je clona na jedné straně mnohem delší než na druhé, takže tvoří protáhlý ovál. Proč to tak je?

    Na závěr bych chtěl moc pochválit autora, toto ber prosím jako pozitivní kritiku. Nemyslím to špatně, chci jen aby články byly lepší a lepší. Je jasné že v celém dlouhé článku budou nějaké chyby a tady jich moc ani moc není. Takže díky a ať se dá daří 🙂

    • Dušan Majer napsal:

      Tohle bych rozhodně nikdy nebral špatně. Konstruktivní kritika je pro nás důležitá – proto máme pod každým článkem tlačítko, pomocí kterého mohou čtenáři snadno nahlásit chybu. Takže rozhodně o tuto zpětnou vazbu stojíme. Budeme rádi za upřesnění, kde jsou chybějící mezery, či jiné chyby.
      S heterogenitou máte pravdu. Chvíli jsem při psaní váhal, zda tam mám tu poznámku dávat, ale pak jsme si řekl, že to nebude ničemu překážet. Co se clony týče, tak bohužel neporadím, nejsem odborník přes fototechniku. Třeba ale poradí někdo z našich čtenářů.

    • maro napsal:

      Řekl bych, že to šikmé seřízení je kvůli záření ze Slunce. Tedy, že ta delší strana tubusu bude směrem ke Slunci. Kdyby byl tubus standardní, neseříznutý válec, pak v případě, že by přístroj mířil směrem, který by svíral se směrem ke Slunci, úhel menší než 90 stupňů, byla by malá část vnitřku konce tubusu ozářena Sluncem. Sice by ten tubus nemířil přímo na Slunce, ale odraz z toho vnitřního ozáření lemu tubusu by mohl dělat u citlivých přístrojů neplechu. Velké seříznutí dovoluje namířit i v relativně malém (30 stupňů ?) směrem ke Slunci a vnitřek tubusu stále nebude Sluncem ozářen ani v malém proužku na konci.

  2. CBDave napsal:

    Sakra Dušane, to muselo dát práce, uff.. Díky moc. Teď najít čas to všechno přečíst. Né že bych byl línej, ale audio stopa by bodla 🙂 Jako pohádku na dobrou noc 🙂

    • Jaro Pudelka napsal:

      Navrhujem externe zamestnať niekoľko pekných báb, ktoré by nám to na objednávku chodili predčítať za symbolický poplatok. Samozrejme vo všetkej počestnosti.

    • Dušan Majer napsal:

      Díky za pochvalu, uznávám, že 4400 slov je už na hraně. Svého času jsme uvažoval (a stále uvažuju) o tom, že bych do seriálu Pohled pod kůži zařadil sondu Juno. Ovšem popis jejích vědeckých přístrojů vydá na 7500 slov, takže po zkušenosti s tímhle článkem vím, že by se to muselo rozdělit na dvě části. 🙂

  3. ptpc napsal:

    Tak Dugi, super práca. To že je to dlhé nech ťa netrápi.
    Keď chce niekto získať takéto exkluzívne informácie musí tomu venovať čas a energiu a nesmie byť pohodlný. Jednoducho to stojí námahu. Stačí si len predstaviť koľko času a námahy to stálo teba kým si to napísal… A ja som naopak rád že mi dávaš možnosť získať nové informácie a vedomosti.
    A úplne super je ak si postupne prechádzaš aj odkazy! Je úplne neuveriteľné čím všetkým sa ľudia zaoberajú a na čo všetko prišli…
    Zhrnul by som to asi takto – takéto články sú „rodinné striebro“ Kosmonautixu…

  4. Spytihněv napsal:

    Díky za kvalitní zprostředkování cenných informací. Osobně se velice těším na jednotlivé kamery v činnosti. Myslím, že můžeme čekat viziální orgie podobně jako u 67P. Včetně hledání vhodné lokality. Zvláště SamCam má opravdu unikátní úkoly. Přistihnout Bennu a TAGSAM při kontaktu a vrcholem bude záběr na ukládání plného zásobníku do návratového pouzdra.

Zanechte komentář