Vstříc novým výšinám!

Americké sondy MMS (Magnetospheric Multiscale mission) právě v těchto dnech začínají tři měsíce dlouhé putování na novou oběžnou dráhu. Satelity létají kolem Země a u ní i zůstanou, nová dráha je ale dostane dvakrát dál od zemského povrchu, než kdy dříve byly. Nová oběžná dráha je součástí druhé fáze celé výzkumné mise a i v ní budou satelity mapovat základní charakteristiky vesmírného prostředí v okolí Země. Družice MMS mají prolétat přímo skrz místa, kde dochází k velkým „explozím“, které se nazývají magnetické přepojení. Tyto lokality jsme ještě nikdy detailně nezkoumali a družice MMS nám mohou výrazně rozšířit naše obzory.

Čtyři identické družice MMS se na oběžnou dráhu vydaly v roce 2015 a jejich úkolem bylo mapovat magnetická přepojení. Jde o proces, který nastává pokud se střetnou dvě magnetická pole a explozivně se přeskupí do nové pozice. Díky přesné práci pozemních operátorů dokáží družice letět ve velmi těsné formaci, takže mohou proletět přes oblasti, kde se sluneční magnetické pole střetává s tím pozemským. Je přitom jasné, že udržet čtyři družice ve formaci není jednoduché.

Fotka z výroby družice MMS

Fotka z výroby družice MMS
Zdroj: https://mms.gsfc.nasa.gov/

„Z hlediska letové dynamiky a manévrů je to jedna z nejkomplikovanějších misí, které jsme tady v Goddardově středisku kdy dělali,“ vysvětluje Mark Woodard, ředitel mise MMS z Goddardova střediska v Greenbeltu, stát Maryland a dodává: „Ještě nikdy v historii se nikomu nepovedlo letět v takhle těsné formaci.“ Hlavní výhodou družic MMS je to, že mohou pořizovat trojrozměrné modely přepojení. K tomu ale musí letět ve stabilní formaci čtyřstěnu. Tuto formaci už dříve využívaly evropské i americké sondy, ale MMS jsou unikátní v malé vzdálenosti mezi satelity – průměrně je od sebe dělí jen šest a půl kilometru. Díky tomu mohou vědci sledovat magnetické přepojení ve třech rozměrech, čemuž napomáhá i to, že družice jsou identické a data z nich se krásně doplňují.

Čtyři družice MMS připravené ke startu

Čtyři družice MMS připravené ke startu
Zdroj: https://www.nasa.gov/

S řízením auta má leckdo problém a to se řídič zajímá jen o dvourozměrný prostor – vlevo, vpravo, dopředu a dozadu. Na oběžné dráze navíc přibývá rozměr třetí – nahoru a dolů. Když mají operátoři zachovat těsnou formaci, která je vědecky důležitá, mění se najednou změna oběžné dráhy v poměrně složitou výzvu. Operátoři nesmí zapomenout ani na to, že se musí vyhýbat ostatním družicím, nebo známým úlomkům kosmického smetí. A aby toho nebylo málo, tak se každá sonda kvůli vlastní stabilizaci otáčí jako dětská káča, což veškeré manévry ještě více komplikuje.

„Obvykle nám celá procedura návrhu motorických manévrů zabere dva týdny,“ popisuje Trevor Williams, který má v programu MMS funkci vedoucího letové dynamiky. Tento muž stojí v čele týmu s desítkami inženýrů, ti všichni zodpovídají za to, že oběžné dráhy družic budou takové, jak si složitá letová dráha vyžaduje. Při běžném týdnu jsou na setkání, které se koná na začátku týdne, dokončeny manévry, které byly v předstihu pečlivě navrženy a propočítány. K vypočítání polohy družic MMS se používá signál družic GPS – úplně stejně jako to dělá družicová navigace v autě.Jediný rozdíl je, že přijímač signálu GPS je daleko nad Zemí – dokonce výše, než kde obíhají navigační družice, které šíří potřebný signál. „Používáme GPS k něčemu, na co nikdy nebyl navržen, ale ono to funguje,“ říká s úsměvem Woodard.

Systém GPS byl od začátku koncipován tak, aby jej mohli používat pozemní uživatelé. Signály proto míří z oběžné dráhy vstříc Zemi, takže je těžké se k nim dostat shora. Naštěstí jsou ale družice GPS kolem naší planety rozprostřeny poměrně hustě. Občas se proto stane, že signál odeslaný prakticky z druhé polokoule mine Zemi a pokračuje dál do vesmíru, kde jej zachytí družice MMS. Jelikož jsou na její palubě speciální přijímače, které umí zachytit i velmi slabý GPS signál, poradí si družice i se signálem, který letěl z velké dálky.

Vizualizace družice MMS

Vizualizace družice MMS
Zdroj: https://www.nasa.gov

Družice MMS ze signálů GPS přímo na své palubě vypočítávají svou polohu v prostoru. Tato data pak odesílají do pozemního střediska. Inženýři pak tato data používají k návrhu manévrů pro změny oběžných drah. Když družice letí po téměř identických drahách, je potřeba provádět velmi drobné korekce, aby se těsná formace mohla udržet. Inženýři při plánování manévrů spoléhají i na hlášení z tzv. Conjunction Assessment Risk Analysis, která uchovává údaje o poloze kosmického smetí a vydává varování když třeba starý nefunkční telekomunikační satelit může zkřížit oběžnou dráhu s cestou MMS. Ještě nikdy se nestalo, že by družicím hrozila srážka, ale i přesto jsou vypracovány krizové postupy pro úhybné manévry.

Ve vybrané dvě středy v měsíci se na družice posílají pokyny ke změnám oběžné dráhy. Družice tyto pokyny využijí k naplánování krátkých zážehů svých korekčních trysek. Spíše než o zážezích bychom měli psát o pulsech, protože změny jsou jen velmi drobné. Veškeré manévry jsou hodně pomalé – jedna družice váží tunu a disponuje motory s tahem pouze 1,8 kg! Kvůli tomu, že jsou satelity stabilizované rotací musí být každý pulsní zážeh precizně synchronizován.

Družice MMS při rotační zkoušce

Družice MMS při rotační zkoušce
Zdroj: https://www.nasa.gov

Druhý den, když jsou družice na svých správných místech, přichází druhá vlna pokynů, které způsobí zážeh motoru v opačném směru. Tím se upraví oběžná dráha družic. bez tohoto pokynu by sondy utekly ze svých určených pozic a postupně by se od sebe vzdálily. Zatímco auta a letadla musí mít motory neustále zapnuté, u družic je tomu jinak – po většinu času letí vpřed pouze setrvačností, která je udržuje na oběžné dráze. Pulsní zážehy trvají sotva pár desítek sekund a používají se pouze ke změně dráhy. „Celých 99,9% času družice MMS letí bez motorických korekcí, protože musíme šetřit s palivem,“ vysvětluje Trevor Williams.

Při startu měla každá sonda k dispozici 410 kg paliva a za první dva roky provozu se spotřebovalo pouze 63,5 kg paliva. A tady už se dostáváme k tomu, co jsme nakousli na začátku. Přesun na protáhlejší oběžnou dráhu zkonzumuje přibližně polovinu zbývajícího paliva. Operátoři pečlivě plánují každý manévr, aby minimalizovali spotřebu paliva. Každý manévr spotřebuje méně než 200 gramů paliva a operátoři věří, že díky šetření s palivem budou mít družice po ukončení základní části dostatek pohonných hmot. To by umožnilo prodloužit výzkumnou fázi a získat další data.

Nová eliptická dráha bude mít nejnižší bod 965 kilometrů nad Zemí. Nejvzdálenější bod najdeme celých 132 000 km daleko (40% vzdálenosti Měsíce od Země). Stará dráha měla nejvyšší bod ve výšce 66 000 kilometrů, takže družice momentálně vyrazí do dvakrát větší vzdálenosti.

Porovnání oběžný drah družic MMS v první fázi a ve druhé fázi s oběžnou dráhou družic GPS a Měsíce

Porovnání oběžný drah družic MMS v první fázi a ve druhé fázi s oběžnou dráhou družic GPS a Měsíce
Zdroj: http://gpsworld.com/

V první fázi mise zkoumaly družice MMS zemskou magnetosféru na straně přivrácené ke Slunci. Tady se čáry magnetického pole ze Slunce spojují s čárami zemského pole. Materiál a energie ze Slunce tak mohou tímto tunelem proniknout až do blízkosti Země. Ve druhé fázi, která nás nyní čeká, budou družice MMS prolétávat skrz noční stranu, kde přepojení zřejmě spouští polární záře. Kromě toho, že nám družice pomohou pochopit samotné kosmické prostředí v našem okolí, můžeme prozkoumat příčiny magnetického přepojení. To nám otevře další směry výzkumu – od polárních září na Zemi, přes záblesky na povrchu Slunce a možná až k chápání oblastí v okolí černých děr.

Během přesunu na novou oběžnou dráhu nebudou družice MMS udržovat svou čtyřstěnovou formaci, ale i přesto budou stále sbírat vědecká data. Operátoři očekávají, že se satelity dostanou na novou dráhu 4. května letošního roku. V tu chvíli přijde čas na obnovení formace, takže sběr dat opět poskytne trojrozměrné modely při průletu skrz specifické oblasti, kde by mohlo docházet k magnetickým přepojením.

Zdroje informací:
https://www.nasa.gov/
https://www.nasa.gov/
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/images/369469main_mms_boundary_HI.jpg
https://mms.gsfc.nasa.gov/images/observatory_pics/obs3/obs3_02_lg.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/mmsstacked_beauty_small.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/mms-concept-earth.jpeg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/mms_spin_test.jpeg
http://gpsworld.com/wp-content/uploads/2015/07/MMS-NASA-O.jpg

Vstříc novým výšinám!, 2.5 out of 5 based on 27 ratings
Pin It
(Visited 1 387 times, 1 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (27 votes cast)
(Visited 1 387 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)


13 komentářů ke článku “Vstříc novým výšinám!”

  1. Steve napsal:

    Všetečná otázka – Jakou lze technicky docílit nejnižší oběžnou dráhu (v km) a nejvyšší (nejvzdálenější) oběžnou dráhu kolem matičky Země ? Děkuji za případnou odpověď.

    • Dušan Majer napsal:

      Nejnižší oběžná dráha se určuje poměrně snadno. Sonda GOCE, která monitorovala gravitaci Země musela obíhat co nejníže, aby měla přesná měření. Dokonce měla i křídla pro lepší aerodynamiku a iontový motor ji prakticky neustále tlačil vpřed, aby bojoval s hustou atmosférou. Tahle družice kroužila kolem Země ve výšce 254 kilometrů, což tedy můžeme považovat za nejnižší možnou oběžnou dráhu. Teoreticky by mohla být i nižší oběžná dráha, ale na ní by družice vydržela třeba jen pár desítek hodin až dní – záleželo by na konkrétní výšce a hustotě atmosféry.
      S nejvzdálenější oběžnou dráhou je to těžší. Stoprocentně můžeme říct, že to bude minimálně 384 000 km od Země, protože v téhle vzdálenosti obíhá Měsíc. Dál už je to sporné. Budeme považovat librační body soustavy Slunce-Země za oběžnou dráhu Země? Osobně bych řekl, že ne.

    • Vlastimil Pospíchal napsal:

      Za limitní oběžnou dráhu bych považoval vzdálenost bodů L1 a L2, tedy asi 1,5 mil. km. Reálně to však musí být mnohem blíž, protože v blízkosti těchto bodů se gravitace Slunce a Země vyrovnávají. O stabilní dráze se v takové vzdálenosti již nedá hovořit, neboť na takovou sondu gravitačně současně působí 3 tělesa: Slunce, Země a Měsíc. Bez neustálé kompenzace polohy bychom takovou družici brzy ztratili.

      Pokud se chceme bavit o stabilní oběžné dráze kolem Země, jistě tak můžeme označit librační body L4 a L5 soustavy Země – Měsíc.

    • Spytihněv napsal:

      Mám pocit, že gravitační vliv Země, v tom smyslu, že se dá ještě mluvit o geocentrické dráze, je kolem 930 000 km. Pokud se těleso, odlétající od Země, přestane do této vzdálenosti urychlovat, zůstane na GD. Ale ruku do ohně bych za to nedal 🙂

      • Spytihněv napsal:

        Ještě bych se rád vrátil k nejvzdálenější zemské oběžné dráze nebo dejme tomu k hranici gravitačního vlivu Země (ten vliv je prakticky nekonečný, ale bavme se o vlivu použitelném pro účely geocentrické dráhy). V předchozím příspěvku jsem uvedl hranici 930 000 km. Na tom bych i trval, ale s tím zbytkem nevím.

        Zkusím něco jako definici. Mohla by to být vzdálenost, do které zůstane těleso uvězněno na oběžné dráze Země, pokud nedosáhne rychlost 11,2 km/s, tj. druhou kosmickou rychlost.

        Dává to smysl?

        • Dušan Majer napsal:

          Přesně tak, ale má to jeden háček. Kosmická rychlost závisí na tom, kde má dráha nejnižší bod. Kdybychom měli perigeum u Měsíce, tak potřebujeme pro opuštění zemské gravitace menší rychlost – jen 1,475 km/s. Viz tabulka.

        • Spytihněv napsal:

          Takže když to upravím. Mohla by to být
          vzdálenost, do které zůstane těleso uvězněno na
          oběžné dráze Země, pokud nedosáhne únikovou rychlost platnou v této vzdálenosti. Teoreticky tedy ke každé vzdálenosti od Země lze přiřadit nějakou (byť zcela minimální) rychlost, která je úniková a pokud ji těleso nedosáhne, zůstane na geocentrické dráze (tedy pokud pomineme vliv jiných těles). To otevírá zajímavé absurdní možnosti 🙂

        • Dušan Majer napsal:

          Přesně tak. Dokonce bych řekl, že podle dat z té tabulky by se dal vytvořit graf závislosti potřebné rychlosti na vzdálenosti, čímž bychom se mohli dopracovat k teoretické hraniční vzdálenosti. Ale opět by už hrálo velkou roli gravitační rušení ostatních objektů.

        • Vlastimil Pospíchal napsal:

          Ta úniková rychlost z dráhy Měsíce bude ještě nižší, protože když jsem v simulaci omylem zadal 1300 m/s, tak mi Měsíc uletěl a začal kroužit kolem Slunce.

        • Dan napsal:

          Ze vzorce pro výpočet únikové rychlosti to vychází na cca 1,4 km/s. Počítal jsem to pro vzdálenost 390000 km.

    • slappy napsal:

      Kolem každého tělesa Sluneční soustavy je tzv. Hillova sféra – oblast, kde jeho gravitační vliv převažuje nad gravitačním vlivem Slunce. Hillova sféra je ohraničena libračními body L1 a L2. U Země má tedy průměr zhruba 3 miliony kilometrů. Kdybychom měli ideální soustavu pouze dvou těles (hvězda-planeta), budou oběžné dráhy kolem planety dlouhodobě stabilní už těsně pod hranicí Hillovy sféry. V praxi ale máme vliv Měsíce a ostatních planet a také Jarkovského efekt a tlak slunečního záření, ale i ne zcela dokonalou homogenitu Země, které efektivní radius stabilních oběžných drah snižují zhruba na polovinu.. A ani ty dráhy nebudou stabilní věčně – po stamilionech let je Měsíc prostě rozhází..

      Záleží v jakém časovém horizontu člověk uvažuje. Technicky lze docílit oběžnou dráhu už ve výšce nějakých 100-120 kilometrů, kde se odhazují aerodynamické kryty během startů raket. Ale satelit na takové dráze vydrží jen pár oběhů, protože zbytky atmosféry ho brzy zpomalí. I taková ISS nějakých 400 kilometrů vysoko je bržděná natolik, že by bez pravidelného popostrkování přilétajícími zásobovacími loděmi dlouhodobě obíhat nevydržela. Od nějakých +-700 kilometrů výše už vydrží satelity obíhat Zemi klidně tisíce roků.. Geostacionární dráha je z našeho pohledu skoro věčná. I když i tamní satelity výše popsané vlivy nakonec vychýlí…

Zanechte komentář