Morpheus se opatrně vrací

Morpheus se opatrně vrací

17. května 2013

Pro budoucí výzkum Měsíce bude NASA potřebovat levně a efektivně dopravovat materiál či vědecké vybavení na poměrně přesně zvolená místa povrchu našeho trabanta. Může se jednat o zásobování lunární základny, podporu lidských výprav, různé automatické vědecké expedice nebo vyhledávání zdrojů vhodných k těžbě. Ke všem těmto účelům může posloužit nově vyvíjený autonomní lander Morpheus.

O tom jak začal jeho vývoj z původně separátních projektů až do dnešní podoby a také o jeho úspěšných a neúspěšných testech si povíme v dnešním článku.

Skenovací zařízení

Počátky vývoje sahají do roku 2008, kdy běžel program Constellation, v rámci kterého měly létat

zařízení ALHAT s LIDARem je schopno se pohybovat ve všech třech osách
zdroj:nasa.gov

lidské výpravy na Měsíc ovšem tentokrát nikoliv jednorázové, ale trvalejšího charakteru. Jejich součástí měly být i lunární základny a rozsáhlý vědecký dlouhodobý výzkum. Ten však vyžadoval zásobovací mise, podobné jaké dnes vyžaduje Mezinárodní kosmická stanice na oběžné dráze Země. Bylo třeba vyvinout levné a přitom spolehlivé robotizované landery, které by dokázaly samy přistávat na zvolených místech.

Aby bylo vůbec něco takového možné, potřebuje daný lander spolehlivě „ohmatat“ terén, určený k přistání. Také musí mít neustále informace o charakteristikách svého letu jako rychlost, výška a v neposlední řadě se potřebuje vyrovnat s nenadálými situacemi, které mohou při přistávání nastat. Ty mohou být zapříčiněny technickými problémy, ale i topografií povrchu, bude-li přistávat do málo prozkoumaných či nebezpečných míst.

zařízení ALHAT na helikoptéře při testu skenování povrchu z různých výšek
zdroj: nasa.gov

Sensors Advance Lunar Landing Project (NASA Langley Research Center) měl za cíl vyvinout právě taková zařízení, která by informace potřebné k samostatnému rozhodování přistávacího robota dodala. Jedním z nich mělo být aktivní zobrazovací zařízení pro měření topografie přistávací plochy a druhé mělo sloužit k měření rychlosti. Nakonec se podařilo obě funkce spojit v jednom přístroji. Je jím LIDAR, což je laserový radar. Může se otáčet ve všech třech osách a je schopný nejen bleskurychle skenovat terén a dodávat údaje o výšce, ale zároveň na Dopplerově principu měřit rychlost přistávacího tělesa. LIDAR dnes v kosmickém průmyslu a nejen v něm zažívá obrovský rozmach. Jen připomenu, že právě s jeho pomocí dokuje k ISS evropská loď ATV. V pozemní aplikaci se s ním setkáte i v tzv. autech bez řidiče.

Údaje z LIDARu musí ještě vyhodnotit speciální software. Algoritmy a další matematické postupy pro něj vyvinula známá sekce NASA, Jet Propulsion Laboratory. Celé zařízení NASA nazvala Autonomous Landing and Hazard Avoidance Technology (ALHAT), což by se dalo přeložit jako technologie autonomního přistání a zabránění nebezpečí.

Při testech na helikoptéře dosáhlo toto zařízení až 10x! větší přesnosti rychlosti čtení a míry aktualizace údajů než srovnatelné technologie na marsovských sondách Phoenix a MSL.

Nový pohon

Další, co potřebujete pro přistání na tělese bez atmosféry, je silný a spolehlivý pohon. Pro dobu Apolla bylo typické využití hypergolických paliv. Ta jsou skutečně velmi spolehlivá, jelikož k úspěšnému spuštění a fungování motoru vám stačí tato paliva smíchat dohromady. Mají však čtyři nevýhody. Jednak jsou jedovatá, poměrně drahá těžká a také jejich doba skladování je poměrně omezená.

NASA se proto snaží od 90. let 20.století vyvíjet pohony, které by tyto nevýhody eliminovaly. Pod dohledem týmů z Johnson Space Center a White Sands Test Facility se pustila do práce na inovativním pohonu firma Armadillo Aerospace. Výsledkem je motor na kapalný kyslík a methan. Použití methanu má výhodu v jeho nízké hmotnosti i snadné dostupnosti. Dokonce je ho možné získávat i jinde než na Zemi například na Měsíci nebo Marsu, což by využití motorů s methanem výrazně rozšířilo. Kupříkladu roční produkce methanu jako odpadního plynu z ISS by stačila na naplnění nádrží tohoto testovacího landeru.

Test motoru, příprava testovacího landeru a zkušební vzlet
zdroj: nasa.gov

Přímé porovnání s hypergolickými palivy vychází takto: kapalný kyslík a kapalný methan jsou 10x – 20x levnější. Obě látky jsou netoxické, takže nehrozí nebezpečí kontaminace skafandrů případných budoucích kosmonautů při kosmické vycházce. Rovněž jejich hmotnost je nižší. Hodně přibližně to vychází na každý kilogram vyneseného nákladu 15 ušetřených kilogramů paliva. Taktéž skladování je vcelku bezproblémové, protože narozdíl od hypergolických paliv neleptají stěny nádrží.

Při testech na základně White Sands vystoupal pokusný lander s methanovým motorem do výšky 55 metrů. Motor byl testován rovněž ve vakuové komoře. Tam se dosáhlo četných úspěchů při simulaci sestupu, opětovném pyrotechnickém zapalování motoru nebo škrcení tahu regulací tlaku paliva.

Jako bonus NASA pracuje na dvou reaktorech. Jeden je schopný získávat kyslík z měsíčního prachu a druhý methan z marsovské atmosféry.

Přichází Morpheus

test motoru proháněného kapalným dusíkem
zdroj: nasa.gov

Obě technologie, které jsme si představili v předchozích kapitolách, spojila NASA do jednoho landeru v roce 2010. Dostal název Morpheus podle řeckého boha snění. Charakterizují ho čtyři velké kulovité nádrže opatřené izolační vrstvou a čtyři přistávací nohy. Vespod je jedna tryska motoru, kterou je možné naklánět a řídit tak směr výtoku plynů. Pro stabilizaci jsou v těle landeru ukryté stabilizační trysky.

17. března 2011 proběhla tzv. studená zkouška, kdy se nádrže Morphea naplnily kapalným dusíkem, jež pak proudil tryskou ven, přičemž se testovala těsnost systému a usměrňování plynů proudících z trysky. 4.května 2011 už technici provedly tzv. hot-fire test, kdy už v nádržích bylo správné palivo a okysličovadlo a motor už byl zapálen (viz úvodní náhledový obrázek). Celý lander byl zavěšen na jeřábu a dole uchycen pevnými lany, takže se vznášel v prostoru a tah motoru i vychýlení trysky mohlo být měněno dle libosti.

Havárie prvního exempláře landeru Morpheus
zdroj: nasa.gov

Pak si motor do parády vzali inženýři ve Stennis Space Center, kde ho při mnoha statických zažezích řádně otestovali, zaznamenaly údaje o hodnotách výkonu. Během pobytu ve Stennis centru doznal motor ještě pár vylepšení, které zvedly dále jeho výkon.

Další testy landeru se konaly se na Kennedy Space Center na Floridě v blízkosti dráhy, kde dříve přistávaly raketoplány. Je to vlastně táž výcviková plocha, kde se testovala přistání na Měsíci programu Apollo pomocí Lunar Landing Training Vehicles (LLTV) , ze kterého se zachránil Neil Armstrong katapultací, než sebou LLTV praštilo o zem a explodovalo.

Test z 10.května ještě dopadl dobře. Morpheus byl spojen s jeřábem. V rámci délky lana se pohyboval sám a poctivě reagoval na požadavky techniků. Proto se přikročilo k dalším testům tentokrát už bez uchycení na jeřábu.Video z této události si můžete prohlédnout zde

10. srpna 2012 ráno technici ještě netušili, že ten den se dočkají deja vu Armstrongovy události. Stroj se vznesl, ale už po několika sekundách se zkácel k zemi za detonace a následného požáru. Morpheus 1.5A byl zcela zničen. Jako příčina byl odhalena inerciální měřící jednotka (IMU), která krátce po startu přestala dodávat data. Naštěstí byl již v té době stavěn druhý exemplář landeru Morpheus 1.5B. Video zde.

Mírně vzad a opatrně vpřed

Po ohňové epizodě se lander 1.5B dočkal mnohých vylepšení jako je například zdvojení klíčových součástek nebo více pozemních kontrolních mechanizmů pro odhalování anomálií. Připravovat se začal i Morpheus 1.5C. 1.května 2013 už byl 1.5B opět pro jistotu na jeřábu na svém původním stanovišti. Tentokrát vypadalo opět vše dobře a lander šlapal jako hodinky. Zvládl dokonce současné řízení vektoru tahu (TVC) i stabilizaci tryskami RCS. S předchozím landerem bylo provedeno 27 testů motoru. Společně s vyšetřováním příčin předchozího selhání přispěly k více než 70 různým vylepšením současného modelu Morphea.

Letos v létě by měl opět zkusit samostatný pohyb na jeřábu, pak vzlet s uchycením k zemi a nakonec pokus o samostatný let do výšky 30 metrů a měkké přistání na jiném místě než odkud vzlétl.

4 tuny těžký lander Morpheus by měl být v budoucnosti schopen dopravit na měsíční povrch až 500 kg nákladu. V úvahu přichází malý rover, humanoidní robot (vyšší verze Robonauta 2) nebo zařízení na získávání kyslíku z měsíčního regolitu. Hlavním posláním však bude vůbec demonstrovat, že tato technologie je perspektivní. Takže jednotlivé exempláře budou procházet neustálou inovací vzešlou z výsledků předchozích testů.

Morpheus není jediným vyvíjeným landerem v NASA. Dalším je například Mighty Eagle, určený pro testování univerzální platformy pro přistávání na planetách bez atmosféry. Jako palivo používá peroxid vodíku. Oba spadají do kategorie dvaceti levných projektů programu NASA Advanced Systems Exploration (AES). Morpheus to svojí dosavadní cenou potvrzuje, neboť do něj NASA zatím nalila 7 miliónů dolarů, což je na její poměry opravdu pakatel. O jeho konkurentovi Mighty Eagle si povíme zase příště, až bude aktuální jeho další významější test.

Zdroje informací:
http://www.nasa.gov/exploration/home/alhat-project.html
http://www.nasa.gov/mission_pages/constellation/main/lox_methane_engine.html
http://www.nasa.gov/centers/johnson/exploration/morpheus/morpheus_test_stennis.html
http://morpheuslander.blogspot.cz/2012/08/moving-forward-not-starting-over.html
http://www.nasa.gov/exploration/systems/ground/morpheus_test.html
http://forum.kosmonautix.cz/viewtopic.php?f=31&p=9214#p9146
http://www.nasa.gov/centers/johnson/exploration/morpheus/begin_again.html
http://www.nasa.gov/centers/johnson/exploration/morpheus/collection_morpheus_features_archive_1.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Morpheus