Pohled pod kůži: Juno (konstrukce)

Po delší době opět přichází nový díl našeho nepravidelného seriálu Pohled pod kůži, který se snaží maximálně rozebírat technologické řešení konstrukce nejrůznějších kosmických sond. Každému kosmickému průzkumníkovi věnujeme několik dílů, přičemž v každém se věnujeme jiné části. Dnes otevíráme kapitolu nové sondy. Řeč bude o nejnovějším průzkumníkovi Jupitera, americké sondě Juno. A jak už je v našem seriálu zvykem, začneme základními informacemi o samotné konstrukci hlavních systémů sondy. V příštím díle nás bude čekat přístrojové vybavení.

Tělo sondy Juno je vysoké 3,5 metru a stejný rozměr má i jeho průměr jeho základny. Nejedná se však o kruh, ale spíše o šestiúhelník. Samotné tělo sondy ukrývá dvě „patra“. Sonda při startu vážila 3 625 kg a na její palubě najdeme celou řadu podsystémů. Zajímavé je, že Juno nepoužívá stabilizační gyroskopy, které známe od jiných sond. O její stabilizaci se stará otáčení kolem osy. Rychlost otáčení se mění podle různých fází mise od jedné do pěti otáček za minutu. Otáčení kromě stabilizace navíc zajišťuje, že se Jupiter dostane do zorného pole všech přístrojů a navíc i v pravidelných rozestupech.

Ukládání radiačního štítu - v popředí jsou vidět kulovité nádrže na palivo

Ukládání radiačního štítu – v popředí jsou vidět kulovité nádrže na palivo
Zdroj: http://104.131.251.97

Pohonný systém
Konstruktéři zvolili pro Juno systém, který má šetřit hmotnost a zároveň zajistí záložní fungování. Hlavní motor sondy používá dvousložkové palivo (oxid dusičitý a hydrazin), zatímco korekční trysky fungují jen s jednosložkovým palivem (hydrazinem). Palivové nádrže mají kulovitý tvar a jsou obklopeny mnohovrstevnatou izolací, ve které jsou i ohřívače. Ty se aktivují pár týdnů před zážehem a jejich úkolem je ohřát palivo na vhodnou teplotu. Stejně tak se starají o to, aby v kosmickém prostředí nezamrzly ani palivové rozvody ke spalovacím komorám.

Hlavní motor sondy Juno nese označení Leros 1b a při specifickém impulsu 318 s dokáže poskytovat tah 645 N. Motor je ke konstrukci sondy připojen napevno a nemá výklopnou trysku – pro manévr se tak musí otočit celá sonda. Výrobu tohoto motoru zajistila britská společnost AMPAC-ISP.

Manipulace s tělem sondy Juno. Na spodní části je vidět motor Leros 1b.

Manipulace s tělem sondy Juno. Na spodní části je vidět motor Leros 1b.
Zdroj: http://104.131.251.97

V době nečinnosti je hlavní motor chráněný štítem proti úlomkům, který se odklápí několik dní před zážehem a po něm se zase vrátí na své místo. Hlavní motor Leros 1b se používal pouze pro manévry s velkou změnou rychlosti – korekční manévr pro návrat k Zemi a brzdící manévr pro usazení na oběžné dráze kolem Jupitera.

Měl se použít i k manévru, který by zkrátil oběžnou dobu z 53,5 dne na 14 dní, ale kvůli poruše na palivovém systému bylo rozhodnuto,že se zážeh vynechá a Juno zůstane na současné dráze až do konce své mise.

O orientaci sondy v prostoru a o malé úpravy oběžné dráhy se postará 12 malých korekčních trysek. Všechny používají hydrazin, který se v jejich spalovací komoře rozkládá – jde tedy o motory s jednosložkovým palivem. Trysky jsou sdruženy do čtyř modulů a umožňují stabilizaci ve všech třech osách. V každém modulu jsou tři motory – jeden zajišťuje rotaci, zbylé dva se starají o posuny do stran.

RAD750

RAD750
Zdroj: hhttp://spaceflight101.com/

Datový systém
Systém zpracování dat je založený na osvědčeném procesoru RAD750 a má k dispozici 256 megabytů flash paměti a 128 lokální paměti DRAM. Procesor RAD750 je navržený tak, aby mohl pracovat i v extrémních radiačních podmínkách. Vychází z odolných předchůdců a používá se třeba i na marsovském vozítku Curiosity. Ve srovnání s našimi pozemskými procesory poskytuje RAD750 jen zlomkový výkon, ale v kosmickém prostředí jsou měítka jiná. Hlavní důraz se klade na odolnost elektroniky přečkat v radiací zamořeném prostředí. Tento procesor dokáže pracovat i při milionkrát silnějších dávkách radiace, než jaké by dokázaly zabít člověka. Výrobu tohoto procesoru zajsitila společnost BAE Systems z města Manassas (stát Virginia).

RAD750 ale nevyniká jen radiační odolností, ale i stabilitou. Statistiky ukazují, že za patnáct let nepotřebuje více, než jeden zásah ze Země. Lidově řečeno – „modrá smrt“ zde nastane jen jednou za 15 let. Tento procesor pracuje na frekvenci 200 MHz a díky tomu si poradí i s průtokem dat z přístrojů 100 Mbps, což postačuje všem palubním přístrojům.

Ukládání radiačního krytu do těla sondy Juno

Ukládání radiačního krytu do těla sondy Juno
Zdroj: http://104.131.251.97

Kryt pro elektroniku
Srdce sondy Juno tvoří speciální kryt, ve kterém je uložena veškerá citlivá elektronika. Úkolem krytu je chránit ji před nepřátelským prostředím při přeletové fázi, ale hlavně při průletech přes pásy Jupiterovy radiace. Protiradiační kryt je vyrobený z titanu, přičemž jeho stěny jsou centimetr silné.

Samotný kryt váží 180 kilogramů a dokáže snížit radiační zátěž na 25 000 krad, což je dostatečné, jelikož elektronika je projektována tak, aby zvládla 50 000 krad. Rezerva se zdá být na první pohled až moc velká, ale má to svůj důvod. Inženýři si díky tomu nechávají pojistku pro případ, že by špatně nasimulovali intenzitu radiace u Jupitera, nebo stínící schopnosti krytu.

Ukládání protiradiačního krytu.

Ukládání protiradiačního krytu.
Zdroj: http://spaceflight101.com

Pro lepší představu o tom, jak moc kryt pomáhá nám pomůže hodnota 11 Mrad – to je údaj, který ukazuje, jakou dávku záření dostane horní patro sondy Juno. Při návrhu se muselo počítat s tím, že kryt bude muset zvládnout jak vysoké teploty – u Země a u Slunce, tak i chlad ve vzdálenosti 5,4 AU od Slunce, kde obíhá Jupiter. V elektronickém krytu bychom našli řídící systém a systém na zpracování dat, dále systém elektrické a datové distribuce, nebo dalších 20 elektronických sestav, které zajišťují řízení sondy a starají se o správné fungování přístrojů.

Elektrický systém
O dodávky energie se starají tři solární panely, které jsou umístěné symetricky kolem těla sondy. U Jupitera je zhruba 25× méně slunečního záření než u Země, dlouho tedy nebylo možné provozovat zde sondu, která by používala solární panely. Juno je první fotovoltaickou sondou, která pracuje v hlubším vesmíru. Juno tohle prvenství získala značném rozvoji moderních solárních panelů v posledních letech. Tyhle nenápadné destičky jsou o 50% efektivnější a odolné radiaci, než jejich předchůdci před 20 lety.

Solární panel sondy Juno ve srovnání s lidskou postavou.

Solární panel sondy Juno ve srovnání s lidskou postavou.
Zdroj: http://104.131.251.97

Tři solární panely na sondě Juno jsou 2,9 metru široké a na délku měří 8,9 metru. Celkem jsou tvořeny 11 samostatnými panely, což Vám možná nevychází – „ramena“ jsou tři a 11 se třemi vydělit nedá. Vysvětlení je jednoduché – na jednom „rameni“ je umístěn magnetometr. S rozloženými panely má Juno rozpětí téměř 20 metrů. Na sondě najdeme nízko-, středně- i vysokoziskové panely, které se aktivovaly podle toho, jak se sonda vzdalovala od Slunce. U Jupitera to ale není žádný med, což jsme si říkali už na minulých odstavcích. Juno má proto panely naddimenzované, aby bylo možné překonat závady, které způsobí průlety skrz radiační pásy.

Panely mají u Jupitera průměrně dodávat 460 – 490 W, přičemž na konci mise by to mohlo být 420W. Za zmínku určitě stojí fakt, že panely jsou posuvné – byť jen o trochu. Má to svůj důvod. Když sonda provádí velké manévry, spotřebovává palivo z nádrží, čímž se mění umístění těžiště. Solární panely se proto při zážezích drobně posouvaly, aby kompenzovaly tuto změnu a zajistily stabilitu sondy.

Energie se ukládá do dvou Li-Ion baterií s celkovým nábojem (kapacitou) 55 ampérhodin. Z těchto baterií sonda čerpá energii v době, kdy Jupiter zastíní Slunce, nebo když panely nemíří ke Slunci – především v době provádění zážehů (jak již zaznělo výše – sonda se musí otáčet celá a panely otočné nejsou). Řídící systém se stará o distribuci energie, sledování výkonu panelů, kontrolu dodávek energie přístrojům, topidlům a nejrůznějším senzorům. Stará se i o stav baterií a jejich nabíjení, když je k dispozici přebytek energie.

Systém hospodaření s teplem
Vzhledem k charakteristikám mise a oběžné dráhy, stráví Juno většinu času v osvětleném stavu. Sonda nemá problémy s náhlými změnami teploty, kterým čelí objekty např. na nízké oběžné dráze Země, kde se každých několik desítek minut mění noc a den. U Jupitera je sluneční záření mnohem slabší. Proto i systém hospodaření s teplem má trochu usnadněnou práci. Elektronika uvnitř protiradiačního krytu je izolovaná a navíc disponuje ohřívači, které zajistí vhodné prostředí pro fungování.

Montáž sondy Juno - dobře je vidět vysokozisková anténa

Montáž sondy Juno – dobře je vidět vysokozisková anténa
Zdroj: http://104.131.251.97

Pohonný systém také disponuje aktivními i pasivními prvky pro udržování správné teploty. V meziplanetárním prostoru se ale Juno dostala mnohem blíže Slunci a bylo naopak potřeba chránit přístroje před přehřátím. Inženýři to vyřešili otočením sondy vysokoziskovou anténou ke Slunci. Ta má hodně velký průměr a zafungovala jako slunečník, který ukryl téměř celé tělo sondy. Vědecké přístroje jsou umístěné mimo radiační kryt a disponují vlastními systémy udržování správné teploty. Používají různé izolační materiály a rozličné ohřívače.

Sonda Juno v montážní hale.

Sonda Juno v montážní hale.
Zdroj: http://104.131.251.97

Komunikace
Komunikační systém funguje ve dvojím režimu – jednak zajišťuje komunikaci sondy se Zemí, ale kromě toho je to i vědecký přístroj. Vysokozisková anténa pracuje v pásmu X a posílají se přes ni pokyny od operátorů a opačným směrem putují výsledky měření a telemetrie. Kroěm toho obsahuje i subsystém, který využívá dvojího pásma (X a Ka) pro Dopplerovské měření Jupiterovy gravitace.

Na Zemi přijímá signál z Juno síť antén Deep Space Network. Sonda samotná nese i nízko- a středněziskové antény. Ty zajistí nepřetržitou komunikaci s Juno dokonce i v době, kdy vysokozisková anténa nemíří k Zemi. K tomu dochází v době, kdy byla sonda blízko Slunce a vysokozisková anténa plnila roli slunečníku, nebo při provádění motorických manévrů. Juno obsahuje přední nízkoziskovou a přední středněziskovou anténu, dále pak zadní zadní nízkoziskovou anténu a toroidní nízkoziskovou anténu. Přes nízkoziskové antény Juno posílá jen desetisekundové tónové signály, které mají extrémně nízký datový objem.

Vysokozisková anténa

Vysokozisková anténa
Zdroj: http://104.131.251.97

Tyto signály se označují jako MFSK, v anglické literatuře mívají označení semaphores, tedy česky semafory. Jedná se o nejzákladnější zprávu o stavu sondy. Existuje jakási galerie 256 tónů, mezi kterými najdeme zprávy o dokončení nejrůznějších důležitých úkonů. Pro úspěšné dokončení dané události je rezervován jeden tón. Pokud nedojde k dokončení úkolu, pošle se negativní verze.

Na Zemi mohou být tyto tóny převedeny na zprávu o stavu sondy, což inženýrům umožní sledovat pokroky v dění (nejčastěji u motorických manévrů) i bez příjmu skutečné telemetrie. Je ale potřeba připomenout, že tato tónová komunikace se používá jen velmi zřídka. V době brzdícího manévru při usazení sondy na oběžné dráze to ale byla jediná možnost, jak sledovat průběh tohoto manévru, protože vysokozisková anténa nemířila k Zemi.

Tolik tedy naše povídání o konstrukci sondy Juno. V příštím díle se podíváme na zoubek vědeckým přístrojům na této sondě. Originální text má téměř 6 000 slov, což by asi bylo na jeden článek hodně. Možná tedy povídání o přístrojích rozdělíme na dvě části. V komentářích nám můžete dát vědět, které verzi byste dali přednost.

Zdroje informací:
http://spaceflight101.com/

Zdroje obrázků:
http://104.131.251.97/juno/wp-content/uploads/sites/22/2015/08/2254531_orig.jpg
http://104.131.251.97/juno/wp-content/uploads/sites/22/2015/08/6036128_orig.jpg
http://104.131.251.97/juno/wp-content/uploads/sites/22/2015/08/6027_orig.jpg
http://spaceflight101.com/juno/wp-content/uploads/sites/22/2015/08/231457_orig.jpg
http://104.131.251.97/juno/wp-content/uploads/sites/22/2015/08/1439615_orig.jpg
http://spaceflight101.com/juno/wp-content/uploads/sites/22/2015/08/PIA13258_hires.jpg
http://104.131.251.97/juno/wp-content/uploads/sites/22/2015/08/2948781.jpg
http://104.131.251.97/juno/wp-content/uploads/sites/22/2015/08/929360.jpg
http://104.131.251.97/juno/wp-content/uploads/sites/22/2015/08/Unbenannt-3.png
http://104.131.251.97/juno/wp-content/uploads/sites/22/2015/08/6756996.jpg

Pohled pod kůži: Juno (konstrukce), 2.6 out of 5 based on 30 ratings
Pin It
(Visited 1 832 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.6/5 (30 votes cast)
(Visited 1 832 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)


15 komentářů ke článku “Pohled pod kůži: Juno (konstrukce)”

  1. KupikM napsal:

    Opět perfektní článek, jsem rád, že od té doby co nás opustil pan Antonín Vítek, je zde opět někdo, kdo píše takto skvělé a vyčerpávající články. Díky

  2. Spytihněv napsal:

    Už je to tady. Díky za rozbor dalšího pozoruhodného posla ze Země. Jinak bych byl klidně pro rozdělení dalšího článku na dvě části. Nejde o horký materiál, takže není žádný kvalt 🙂

    • Dušan Majer napsal:

      Rádo se stalo. Co se dělení týče, tak jsem si myslel, že by jeden článek v kuse mohl být pro čtenáře snazší než kdyby byl na pokračování. Ale asi máte pravdu.

      • Vojta napsal:

        Pro mě by bylo také snazší číst článek nadvakrát. Ale pokud máte v redakci dlouhou frontu, tak to zvládnu i v jednom kuse 😉
        A díky moc za překlady. Zajímají mě technické detaily, ale asi bych neměl trpělivost prokousávat se tak obtížným textem v originále.

        • Dušan Majer napsal:

          Asi máte pravdu, rozdělíme to na dva díly.
          Velice nás těší, že se Vám tyto články líbí.

        • Rudolf Šíma napsal:

          A to jsme tu i staří kořeni, kteří by při prokousávání usnuli hned po nadpisu. Takže ode mne zvláštní poděkování za překlady.

        • Dušan Majer napsal:

          Moc děkujeme, je radost dělat cokoliv, když člověk vidí, že se to lidem líbí.

  3. ptpc napsal:

    Díky za super text plný informácii!
    Čo sa týka odpovedi na tvoju otázku Dugi, ja som za jeden článok.

  4. Zuzi napsal:

    Perfektní článek, jako vždy. A protože se zde opět píše o RAD750 tak posílám odkaz na krátkou prezentaci, kde je napsáno proč se používá právě tento procesor i když jeho cena je trochu vysoká (200 tis. USD) 🙂
    http://meseec.ce.rit.edu/551-projects/fall2013/2-2.pdf

  5. Keba napsal:

    Díky! Velmi zajímavý článek!!!

  6. Spytihněv napsal:

    „Juno je první fotovoltaickou sondou, která
    se vydala do hlubšího vesmíru.“

    Takto formulováno to neodpovídá skutečnosti. Rosetta se v říjnu 2012 dostala do vzdálenosti téměř 800 mil. km (vzdálenost Jupitera). I když byla tehdy ve stavu hibernace.

Zanechte komentář