Návrat k poslovi bohů – 13. díl

Iontové motory T6 přeletového modulu MTM BepiColombo.

Vlevo od tohoto textu nevidíte ilustraci z vědecko-fantastické literatury zobrazující exotický pohon jakési mezihvězdné lodi, nýbrž dvojici iontových motorů T6 procházejících důkladným testováním ve vakuové komoře společnosti QinetiQ v anglickém Farnborough. Pohonný systém přeletového modulu Mercury Transfer Module (MTM) evropsko-japonské sondy BepiColombo má kvůli redundanci čtyři tyto motory, přičemž během standardního operačního provozu budou vždy pracovat pouze dva a občas jen jediný z nich. Testování dvou motorů najednou ověřilo možnost jejich souběžného chodu v průběhu několika měsíců bez jakéhokoliv vzájemného negativního ovlivňování. Záře modravých proudů ionizovaného plynu proudící z motorů ve skutečnosti ve vesmíru vidět nepůjdou. Objevují se pouze v testovací komoře kvůli hromadění plynu v nedokonalém vakuu. Záře motorů samotných je však viditelná vždy.

 

Plným tahem vpřed

Posledních pět dílů našeho seriálu Návrat k poslovi bohů se podrobně věnovalo konstrukcím vědeckých družic MPO a MMO a jejich vědeckých přístrojů. O aktuální činnosti celé sestavy BepiColombo jsme naposledy psali na konci října ve čtvrtém díle seriálu, ve kterém jsme rekapitulovali činnost sondy v prvním hektickém týdnu po startu, kdy byla ukončena první fáze LEOP (Launch and Early Orbit Phase). Od té doby se ale událo dost podstatných věcí a BepiColombo prošel další fází nazývanou NEAP (Near Earth Commissioning Phase). Je tedy na čase poohlédnout se za posledními dvěma měsíci a při této příležitosti si navíc popíšeme pohonný systém přeletového modulu MTM, který bude mít v následujících sedmi letech během fáze Interplanetary Cruise Phase hlavní slovo.

K vůbec prvnímu zážehu iontového pohonu BepiColombo došlo 20. listopadu přesně v 12:33 SEČ, kdy byl aktivován jeden ze čtyř motorů, aby byl otestován při tahu 75 mN. O tři hodiny později, kdy bylo řídicím střediskem ověřeno, že motor pracuje bezchybně, byl tah motoru zvýšen na maximálních 125 mN – to je asi stejná síla, jakou by na vaši ruku působila jedna baterie typu AAA na zemském povrchu. Po dalších pěti hodinách byl první test ukončen. Po celou tuto dobu řídicí tým se sondou komunikoval prostřednictvím antény Malargüe sítě ESTRACK, která se nachází v Argentině. Tyto krátké zkoušky byly v následujících dnech uskutečněny i s ostatními třemi motory, vždy se stoprocentním úspěchem. Celková změna trajektorie byla po těchto slabých a krátkých zážezích mizivá, avšak měřitelná. Bylo ověřeno, že tah motorů je v rámci očekávané 2% maximální odchylky. „Vidět iontové motory poprvé pracovat ve vesmíru bylo vzrušujícím momentem a zároveň velkou úlevou. Sedmiletá cesta BepiColombo k Merkuru bude zahrnovat 22 dlouhých několikaměsíčních zážehů. Potřebujeme tedy absolutně spolehlivý a dokonale funkční pohon,“ vysvětluje Paolo Ferri, vedoucí operací ESA.

První operační zážeh byl zahájen 17. prosince a bude trvat dva měsíce. Motory však nebudou pracovat nepřetržitě. Jednou za týden vždy dojde k jejich vypnutí asi na 8 hodin, které pozemním týmům umožní uskutečnit přesná navigační měření a aktualizace. Úkolem tohoto zážehu je optimalizace dráhy BepiColombo pro následný průlet kolem Země v dubnu 2020 přesně podle požadovaných parametrů. „Vložili jsme do iontových motorů naši důvěru a nezklamaly nás. Nyní jsme díky ‚elektro-mobilitě‘ na cestě k Merkuru,“ shrnuje Günther Hasinger, vědecký ředitel ESA, a dodává: „To nás posouvá o důležitý krok blíže k rozklíčování tajemství záhadné první planety a v konečném důsledku i k lepšímu pochopení vzniku Sluneční soustavy.“

Změna orientace vysokoziskové antény MPO zachycená kamerou M-CAM 3.

Změna orientace vysokoziskové antény MPO zachycená kamerou M-CAM 3.
Zdroj: http://www.esa.int/

Před zahájením samotného zážehu musela být upravena orientace sondy, aby vektor zážehu směřoval tím správným směrem. V souvislosti s tím musela být změněna i orientace vysokoziskové antény, aby stále směřovala k Zemi a byla tak zajištěna komunikace s řídicím střediskem. Jak můžete vidět vpravo, změnu orientace antény zachytila kontrolní kamera M-CAM 3. V posledním snímku animovaného gifu se krátce objeví i jeden ze dvou solárních panelů MTM. To protože oba panely byly natočeny tak, aby maximální plochou čelily Slunci a získaly tak potřebné množství energie. Doposud totiž byly ke Slunci skloněny pod úhlem, aby minimalizovaly degradaci solárních článků.

Úkolem BepiColombo však není zrychlit, jak by se mohlo na první pohled zdát. Naopak! Celá sestava musí během následujících sedmi let výrazně zpomalit. BepiColombo se stejně jako většina ostatních objektů ve Sluneční soustavě pohybuje víceméně kolmo ke směru, v jakém na něj působí přitažlivost Slunce. Aby se sonda dostala k Merkuru, tedy blíže ke Slunci, musí za pomocí zážehů svých motorů v kombinaci s gravitačními manévry u planet zpomalit, aby se nechala sluneční gravitací přitáhnout blíže a postupně po spirále sestoupila až do nitra Sluneční soustavy.

Mercury Transfer Module (MTM) je přeletový modul obsahující čtveřici iontových motorů, které tvoří hlavní pohonný systém sondy BepiColombo. MTM proto můžeme považovat za jakýsi vesmírný tahač, jehož úkolem je provádění všech aktivních manévrů a změn trajektorie sondy. Čtveřice iontových motorů je „živena“ inertním xenonem, který je ochuzen o své elektrony a stává se tak ionizovaným plynem. Výsledné elektricky nabité atomy, zvané ionty (proto iontový motor), jsou směřovány ven z motoru za pomocí vysokého napětí a dosahují rychlosti až 50 km/s. Tato rychlost je zhruba 15× větší než výtoková rychlost spalin klasických chemických raketových motorů. To ve výsledku znamená, že ke stejné změně rychlosti je vyžadováno mnohem menší množství paliva. Nevýhodou iontových motorů je velmi nízký tah. Musí být tedy v provozu velmi dlouhou dobu, aby sonda dosáhla významné změny rychlosti. Ve vesmírném vakuu, kde na těleso nepůsobí žádný odpor, to však ničemu nevadí.

Čtveřici iontových motorů T6 vyrobila anglická společnost QinetiQ (dříve UK Defence Evaluation and Research Agency a ještě dříve Farnborough Royal Aircraft Establishment), která se vývojem iontového pohonu zabývá již od 60. let. Prvním iontovým motorem této firmy, který se dočkal letu do vesmíru, byl T5 o průměru 10 cm, který odstartoval v roce 2009 na družici GOCE, která zkoumala zemské gravitační pole. Nástupce T6, který je použit na sondě BepiColombo, má průměr 22 cm. Nárůst v průměru odráží požadavky na vyšší tah a delší životnost, která je potřebná při sedmileté cestě k Merkuru. T6 navíc oproti svému předchůdci umožňuje změnu vektoru tahu – schopností vyvinutou rakouskou společností RUAG Space. „Jedná se o chytrý mechanismus, který sice trochu komplikuje konstrukci, protože některé kabelové i potrubní vedení musí procházet pohyblivým rozhraním, avšak značně zvyšuje přesnost zážehu,“ vysvětluje Neil Wallace, specialista na elektrické pohony ESA, a dodává: „Systém umožňuje směřování vektoru tahu libovolného počtu motorů přesně skrze těžiště sondy, které se v čase mění s tím, jak pracovní látky ubývá.“ V následujícím videu se můžete podívat na zkoušku naklánění trysek iontových motorů MTM, která proběhla v dubnu 2017. Video je 20× zrychleno.

Iontové motory jsou řízeny dvojicí jednotek PPU (Power Processing Unit), které dokážou řídit vždy dva motory současně. Maximální tah za použití dvou motorů T6 tedy činí 250 mN. PPU zároveň každých pět minut aktualizuje směr tahu každého motoru v závislosti na měnícím se těžišti celé sestavy. Další důležitou součástí každého ze čtyř motorů je jednotka FCU (Flow Control Unit), jejíž činnost je řízena PPU a která reguluje množství xenonu přicházejícího do motoru. Tyto jednotky byly vyrobeny společností Bradford Engineering v Holandsku, zatímco PPU pocházejí z Airbus Crisa ve Španělsku. Celkově se tedy pohonný systém skládá ze čtyř iontových motorů T6 s vektorovatelným tahem, čtyř jednotek FCU, dvou jednotek PPU, tří xenonových nádrží a vysokotlakého regulátoru. K propojení celého systému pak samozřejmě slouží několik metrů vysokonapěťových kabelových svazků a potrubí.

Schéma pohonného systému MTM se čtyřmi iontovými motory T6.

Schéma pohonného systému MTM se čtyřmi iontovými motory T6.
Zdroj: http://www.esa.int/

Tímto končí náš vyčerpávající popis mise BepiColombo. Ve 13. dílech tohoto seriálu jsme se seznámili se sondou i jejími jednotlivými komponenty, jejími vědeckými cíly, tajemstvími planety Merkur, historií a vývojem sondy a nastínili jsme si i její plánovanou budoucnost. Před několika dny BepiColombo vstoupil do dlouhé přeletové fáze k Merkuru a náš seriál, ve kterém jsme se věnovali i prvním třem měsícům jeho činnosti, tak končí. Veškeré další novinky ohledně sondy BepiColombo už vám budeme poskytovat v rámci samostatných článků či krátkých zpráv. Nejpozději se tak stane v dubnu 2020, kdy se BepiColombo vrátí k Zemi na krátkou návštěvu, během které gravitace naší planety ovlivní dráhu sondy tak, aby ji nasměrovala k Venuši. Přejeme BepiColombo šťastnou cestu a děkujeme všem čtenářům, kteří tento seriál četli.

Zdroje informací:
http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/Electric_blue_thrusters_propelling_BepiColombo_to_Mercury
http://www.esa.int/Our_Activities/Operations/BepiColombo_now_firing_on_all_cylinders
http://www.esa.int/Our_Activities/Operations/BepiColombo_s_first_routine_firing_in_space

Zdroje obrázků:
https://www.esa.int/
http://www.esa.int/
https://www.esa.int/

Návrat k poslovi bohů - 13. díl, 5.0 out of 5 based on 22 ratings
Pin It
(Visited 2 398 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: 5.0/5 (22 votes cast)
(Visited 2 398 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)


10 komentářů ke článku “Návrat k poslovi bohů – 13. díl”

  1. Brodský napsal:

    Je to prostě úžasně “vymakáno”. Mám pocit, že 2 x 125 mN není tak málo. Pokud jsem se nesekl, tak za dvouměsíční zážeh obou motorů současně dává změnu rychlosti asi 0,75 km/s – no a to je citelné.
    Zajímal by mne elektrický příkon iontového motoru pro dosažení tahu 125 mN a potom, jaká je zásoba xenonu (pro celkovou změnu rychlosti).
    Díky za článek!

    • Jozi napsal:

      Presne ta ista otazka napadla aj mne… celkove delta v, a elektricky prikon motorov

    • Brodský napsal:

      Tak jsem se sekl v v celkové hmotnosti komplexu Bepikolombo. Pokud zadám 4100 kg tak mi vychází pro dvouměsíční zážeh dvou motorů změna rychlosti 0,37 km/sec, i toto je úctyhodné. Také jsem našel, že při práci na dva motory žere 2.5 kW, při čemž minimální dodávka panelů je kolem 7 kW.
      (Někde jsem zahlédl poznámku, že dvojice motorů bude celkem pracovat 22 měsíců – to by dávalo změnu rychlosti kolem 4 km/s a to už jde. Ovšem bez spousty gravitačních praků by to bylo stejně hrozně málo.)

  2. zdeňek napsal:

    A co takhle napsat článek o pokročilém iontovém Americkém pohonu? Nebo jak pokračují zkoušky pohonu WASIMR?

  3. tonda napsal:

    Krásný seriál,děkuji za něj!

  4. Alois napsal:

    Podíval jsem se na WIKI na historii použití iontových motorů při kosmických letech, co do tahu jednoho motoru. Není nijak bohatá. První pokus provedli Rusové/Sověti v roce 64, ale jen pro stabilizaci. Tah motoru jsem u této sondy a u evropské GOCE nenašel.
    1964 – SSSR/Rusko – Zond2 – ?
    1998 – USA -Deep Space – 92 mN
    2003 – ESA – Smart1 – 70 mN
    2003 – Japonsko – Hayabusa1 – 7,5 mN
    2007 – USA – Dawn – 91 mN-
    2013 – ESA – GOCE – ?
    2014 – Japonsko – Hayabusa2 – 10 mN
    2018 – ESA – Be-Co – 75 mN
    Co do tahu za deset let žádný pokrok.

    • Jiný Honza napsal:

      Tak jsou to motory s podobnou konstrukcí, těžko čekat nějaké převratné zlepšení. Zvlášť když se s financováním vývoje nikdo moc nepřetrhne. Stejně pro ně neexistuje žádný rozumný (jaderný) energetický zdroj.

  5. Ondřej Šamárek napsal:

    Výborný seriál, děkuji a gratuluji, pane kolego! 😉

  6. Dusan napsal:

    Diky za super serial.
    Drzim palce Bepimu, nech najde svoj ciel cesty.
    A dufam, ze TPM budu fungovat po celu dobu tak, ako maju, aby som sa za ne nemusel hanbit 😉

Napište komentář k zdeňek