Z Evropy ke Slunci: Cestování antény

Naši pravidelní čtenáři vědí, že na našem webu začal před několika měsíci vycházet seriálu Evropský vědecký JUICE, který přináší informace o vývoji dílů pro sondu JUICE, která má letět k Jupiteru. Jedná se o překlady anglických originálů, které vychází na webu Evropské kosmické agentury. Nyní nás ESA potěšila tím, že začala zveřejňovat velmi podobně zaměřený seriál – jediným rozdílem je, že se zaměří na chytanou sondu Solar Orbiter. I tyto články bychom Vám chtěli přinášet přeložené do češtiny, protože si s jejich pomocí člověk mnohem lépe představí význam a komplexnost jednotlivých zkoušek.

Na jakékoliv sondě jsou její antény klíčovými prvky, protože právě přes ně je zajištěna komunikace se Zemí. Po několika letech vývoje je nyní hlavní anténa sondy Solar Orbiter připravena k připojení na samotnou sondu. Čeká na ni mimořádná mise – sonda by měla zjistit, jak Slunce vytváří a ovlivňuje heliosféru – ohromnou bublinu nabitých částic, které sluneční vítr roznáší až do mezihvězdného prostoru. Právě proto sonda poletí ke Slunci blíže, než jakákoliv evropská sonda před ní – blíže se dostane už jen americká Parker Solar Probe (PSP) vypuštěná v letošním roce. Sonda Solar orbiter zároveň opustí rovinu, po které obíhají planety a přinese nám detailní pohledy na polární oblasti Slunce, což se následně využije k pochopení magnetických vlastností, které ovlivňují sluneční cykly.

Solar Orbiter bude kolem Slunce obíhat po eliptické dráze – nejvyšší bod najdeme 1,2 AU od Slunce (1 AU = průměrná vzdálenost Země od Slunce = cca. 150 milionů kilometrů) a v nejnižším bodě se k naší hvězdě přiblíží na 0,28 AU, tedy na 42 milionů kilometrů což je pod oběžnou dráhou Merkuru. Pro lepší představu – americká PSP se už při prvním průletu přiblížila na 24,8 milionů kilometrů a ve finále ji čekají průlety ve vzdálenosti jen 7 milionů kilometrů. Evropská Solar Orbiter tedy americkou sondu nepřekoná z hlediska blízkých průletů, ale přesto (nebo právě proto) se mohou měření z obou sond krásně doplňovat.

Výroba antény HGA pro sondu Solr Orbiter.

Výroba antény HGA pro sondu Solr Orbiter.
Zdroj: http://sci.esa.int

Aby mohla evropská sonda spolehlivě komunikovat se Zemí, bude mít na své palubě dvě nízkoziskové antény, které zajistí komunikaci v době, kdy bude sonda blízko Země. Během tříleté přeletové fáze na finální dráhu kolem Slunce a při následné vědecké fázi bude Zemi s družicí spojovat střednězisková (MGA – Medium-Gain Antenna) a vysokozisková anténa HGA (High-Gain Antenna), které budou pracovat v pásmu X.

Při návrhu antény HGA museli inženýři vycházet z několika základních úkolů. V první řadě musí být anténa schopna pracovat ve složitém prostředí vysokých teplot. V blízkosti Slunce bude vystavena 12× intenzivnějšímu záření než u Země, což způsobí rozpálení vnějších povrchů na více než 500 °C. I při těchto teplotách musí být systémy sondy včetně antény schopné normálního provozu.

Vizualizace sondy Solar Orbiter u Slunce.

Vizualizace sondy Solar Orbiter u Slunce.
Zdroj: http://sci.esa.int

Není tedy překvapivé, že do návrhu HGA byly zakomponovány technologie a materiály odolné vůči vysokým teplotám. Zajímavé ale je, že v mnoha případech šlo o využití znalostí získaných při vývoji projektu BepiColombo, který je momentálně na cestě k Merkuru a potřebuje také dobru tepelnou ochranu. V případě mise BepiColombo je však anténa umístěna blízko těla evropské vědecké sondy Mercury Planetary Orbiter, anténa sondy Solar Orbiter se nachází na konci metr dlouhého pohyblivého ramene. Toto rameno se může vyklopit před i za tepelný štít, což mu zjistí tepelnou ochranu před intenzivním slunečním zářením v nejnižším bodě dráhy u Slunce při zachování komunikačních kapacit. Palubní přístroje totiž budu generovat ohromné množství údajů.

Anténa HGA pro sondu Solar Orbiter.

Anténa HGA pro sondu Solar Orbiter.
Zdroj: http://www.aerospace.sener

Kromě náročných teplotních podmínek omezuje konstrukci antény i výběr materiálů. Ty totiž nesmí umožňovat hromadění elektrostatického potenciálu, které by se negativně projevilo na velmi citlivých měřeních slunečního větru. Za tímto účelem byla anténa HGA s talířem o průměru 1,1 metru vyrobena z titanové slitiny, kterou následně pokryla vrstva zajišťující tepelnou ochranu. Zajímavé je, že tento materiál zvaný Solar Black je založen na popelu ze spálených kostí. Vyvinula jej irská firma EnBio a ESA jej vybrala kvůli tomu, že si zachovává své tepelně-optické vlastnosti i po několikaletém vystavení nestíněnému slunečnímu záření a dávkám ultrafialových paprsků.

Sonda Solar Orbiter využije osvědčenou metodu gravitačních manévrů kolem Země a Venuše, aby se dostala na požadovanou dráhu. Vzhledem k unikátní oběžné dráze bude datová propustnost velmi různorodá. Od desítek bitů za sekundu po 1 megabit za sekundu. Po většinu času se navíc budou údaje ukládat do palubní paměti, aby se mohla odeslat na Zemi při nejbližší možné příležitosti.

Dráha sondy Solar Orbiter.

Dráha sondy Solar Orbiter.
Zdroj: https://directory.eoportal.org

Solar Orbiter má přinést mimořádně cenná měření a blízká pozorování Slunce. Její dráha umožní vědcům nahlédnout na korónu ve větších detailech než kdy dříve. Vědci také budou moci spatřit více detailů, které budou sledovatelné po delší dobu než v případě družice obíhající kolem Země. Měření slunečního větru u Slunce v jeho nejčistší formě, snímky ve vysokém rozlišení a sledování polárních oblastí Slunce – to jsou další výjimečné prvky této mise.

Rozložení vědeckých přístrojů na sondě Solar Orbiter.

Rozložení vědeckých přístrojů na sondě Solar Orbiter.
Zdroj: http://sci.esa.int

Na palubě najdeme deset špičkových vědeckých přístrojů. Některé jsou určeny k dálkovému snímání koróny – sluneční atmosféry – ale i slunečního disku ve vysokém rozlišení. Další přístroje se zaměří na měření slunečního větru a magnetických polí v okolí samotné sondy. Díky tomu vědci získají unikátní vhled do procesů, které u naší mateřské hvězdy probíhají a jak můžeme lépe předvídat periodická období, kdy Slunce vyvrhuje materiál do meziplanetárního prostoru i směrem k naší Zemi. Nesmíme přitom zapomenout zmínit, že se na této misi podílí i Česká republika. Specialisté z naší země spolupracují na vývoji hned čtyř přístrojů – SWA, RPW, STIX a METIS.

Start sondy je momentálně plánován na únor roku 2020 a další téměř dva roky potrvá přelet na prvotní operační dráhu. Solar Orbiter je mise, kterou ESA řadí ve svém systému Cosmic Vision mezi středně velké projekty. Nese tedy označení M1 – první projekt středního rozsahu. Misi vede Evropská kosmická agentura, ale silný podíl má i americká NASA.

Anténa HGA si zatím užívá cestování po Evropě. Už byla v Německu, Španělsku, Velké Británii, francii a Nizozemí, aby mohla projít všemi potřebnými integračními kroky před připojením k sondě. Její příběh se začal psát v roce 2014 v prostorách firmy Afflerbach v německém městě Puderbach mezi Frakfurtem a Kölnem. Tady byl 7 centimetrů silný blok titanu rozpálen na teplotu 940 °C, aby mohl být následně v lisu zformován do vypouklého tvaru. Ten byl následně na strojích firmy Ariane Group v německém Ottobrunn u Mnichova, kde se vyrábí i motory pro Ariane 5, opracován z tloušťky 70 mm na finální 1 mm.

Květen 2017 - anténa HGA sondy Solar Orbiter podstupuje radiofrekvenční zkoušky na Polytechnické univerzitě v Madridu.

Květen 2017 – anténa HGA sondy Solar Orbiter podstupuje radiofrekvenční zkoušky na Polytechnické univerzitě v Madridu.
Zdroj: http://sci.esa.int

Pak přišel čas na další přesun po Německu. Plánovanou zastávku byl Friedrichshafen u Kostnice. Tady byla připojena k titanové konstrukci s karbido/křemíkovými výztužemi. V dubnu 2017 podstoupila tato konstrukce mechanické vibrační zkoušky a mohla být odeslána do firmy SENER, což je hlavní dodavatel antény HGA, který sídlí ve španělském Bilbau.

Zde došlo ke spojení konstrukce s dalšími potřebnými systémy – především šlo o prvky radiofrekvenčního řetězce a o mechanismy starající se o pohyb antény a ramene. O měsíc později už na anténu čekaly první radiofrekvenční zkoušky v madridské Polytechnické univerzitě, díky kterým se podařilo ověřit, že naměřené hodnoty jsou v požadovaných úrovních.

Následovat tedy mohl další přesun – tentokrát na Britské ostrovy. Firma Reaction Engines se totiž měla postarat o provedení zkoušek vysokoteplotních cyklů se simulací teploty až do 350 °C. Cestování však ještě nebyl konec – následoval přesun do francouzského Toulouse, kde firma Intespace provedla přesně opačné zkoušky. Šlo o nízkoteplotní cykly s mrazem až -160°C. V červnu se pak otestovaná konstrukce vydala do nizozemského Noordwijku do Technologického střediska Evropské kosmické agentury, tedy do ESTECu.

Červen 2017. V komoře Large Space Simulator je simulováno záření a teplo zhruba 12× intenzivnější než v okolí Země.

Červen 2017. V komoře Large Space Simulator je simulováno záření a teplo zhruba 12× intenzivnější než v okolí Země.
Zdroj: http://sci.esa.int

Zdejší zkoušky se zaměřily na simulaci slunečního záření ve speciální utěsněné komoře. Tady byla anténa vystavena světlu a teplu, které byly srovnatelné s hodnotami, které její konstrukce zažije v ostrém provozu. Následovala ještě akustická zkouška a mohl přijít další přesun – tentokrát opět do firmy SENER. Po drobných úpravách na konci roku 2017 se anténa v květnu 2018 vrátila do ESTECu, aby podstoupila vibrační zkoušky. V dalším měsíci přišel další přesun do Španělska, konkrétně na Polytechnickou univerzitu v Madridu, která se postarala o závěrečné radiofrekvenční zkoušky. Po jejich dokončení se anténa vydala na cestu do Bilbaa, kde na ni čekala celá série testů zaměřených na funkční zkoušky a ověřování výklopné sekvence.

Po dokončení těchto zevrubných zkoušek se anténa v červenci vydala na další cestu přes kanál La Manche. Ve městě Stevenage sídlí firma Airbus, což je hlavní dodavatel celé sondy. Právě zde probíhá sestavování letového hardwaru sondy Solar Orbiter. Samotná sonda již byla téměř hotová a mohly proběhnout integrační zkoušky. Na konec září byl naplánován přesun sondy i s anténou do německého Ottobrunnu. Zdejší firma IABG má za úkol propojit sondu s anténou, čímž se otevře cesta k závěrečným zkouškám celého stroje.

Zdroje informací:
http://sci.esa.int/
https://directory.eoportal.org/

Zdroje obrázků:
http://sci.esa.int/science-e-media/…/SolarOrbiter_Antenna_ESTEC_Test_Centre_20180516.jpg
http://sci.esa.int/science-e-media/img/00/SolarOrbiter_Antenna_Assembly_20170321.jpg
http://sci.esa.int/science-e-media/img/f3/Solar_Orbiter_facing_the_Sun.jpg
http://www.aerospace.sener/…/sener-space-solar-orbiter-hga-antenna.jpg
https://directory.eoportal.org/documents/163813/3812907/SolO_Auto30.jpeg
http://sci.esa.int/science-e-media/img/48/Solar_Orbiter_payload_annotated.jpg
http://sci.esa.int/science-e-media/img/01/SolarOrbiter_Antenna_RF_Test_20170509.jpg
http://sci.esa.int/science-e-media/img/02/SolarOrbiter_Antenna_ESTEC_LSS_20170623.jpg

Z Evropy ke Slunci: Cestování antény, 4.8 out of 5 based on 13 ratings
Pin It
(Visited 1 612 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: 4.8/5 (13 votes cast)
(Visited 1 612 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 “Z Evropy ke Slunci: Cestování antény”

  1. Petr Mik napsal:

    jsem rad ze bude mise startovat uz v roce 2020,ale kdy bude startovat mise lagrange

Zanechte komentář