Zajímavosti

* Gamma č. 067 (Kosmické novinky - Borelli)

Vydáno dne 16. 02. 2006 (2877 přečtení)

Kosmické novinky: setkání sondy Deep Space 1 s kometou Borelli

Sonda Deep Space 1 ("Hluboký kosmos") byla vypuštěna v říjnu 1998 jako součást programu Nové tisíciletí, řízeného z kalifornské Jet Propulsion Laboratory. Jedná se o první operační sondu poháněnou iontovým motorem. V Gammě043 byla zmínka o tomto druhu raketového motoru, který na rozdíl od klasických motorů na pevné a kapalné palivo nevyvrhuje velké množství paliva rychlostmi řádu stovek metrů za sekundu, ale emituje velmi malé množství iontů rychlostí až 30 km/s. Takový motor dokáže dodávat sondě tah, který je sice velmi malý (odpovídá tíze listu papíru), ale vydrží po stovky hodin. Výsledkem je až pětinásobně vyšší impuls získaný ze stejného množství paliva.

Start sondy


Sonda Deep Space 1 byla určena k testování dvanácti zcela nových technologických zařízení (iontový motor, koncentrátor slunečního záření pro pohon lodi, autonomní navigace, miniaturní kombinovaná kamera, transpondér pro sledování pohybu lodi, nízkovýkonová elektronika a další; podrobnosti lze najít na adrese

http://nmp.jpl.nasa.gov/ds1/tech/index.html.


Iontový motor sondy Deep Space 1 pracuje na následujícím principu: do nádoby s xenonem, plynem 4x těžším než vzduch, jsou z katody vysokou rychlostí emitovány elektrony. Srážka elektronu s atomem xenonu vyrazí z obalu atomu jeden elektron; tím vznikne kladný iont (kationt). Dvojice nabitých kovových mřížek pak tyto ionty urychluje až na rychlost 30 000 km/h; vyletující ionty vytvářejí reakci a udílejí sondě tah. Při plném výkonu je na mřížkách napětí 1280 voltů, motor má příkon 2.5 kW (ze slunečních baterií) a dává tah 90 mN, tj. sílu odpovídající zhruba tíži závaží o hmotnosti 9 gramu. To se může zdát málo; uvážíme-li však, že v kosmu není žádné tření ani odpor vzduchu a že tento tah působí po stovky hodin, může to už taková sonda někam dotáhnout.


Sonda fungovala rok během úspěšného testovacího letu. Inženýři, kteří pomocí opakovaných, mnohahodinových zášlehů iontového motoru řídili její let, však toužili po opravdovém dobrodružství, a po celou dobu kormidlovali sondu tak, aby neztratila možnost setkání s některou z komet.


Jedním z unikátních zařízení sondy je Star Tracker (Sledovač hvězd), jakýsi hvězdný sextant, s jehož pomocí sonda podle polohy známých hvězd a blízkých asteroidů sama určovala svoji okamžitou polohu a upravovala podle toho velikost tahu i jeho směrovou orientaci. Minulý čas v předchozí větě není náhodou: v listopadu 1999 se Star Tracker neopravitelně porouchal a sonda ztratila spojení přes směrovou anténu. Zůstalo pouze spojení pomocí antény všesměrové, jejíž velmi slabý signál však umožňoval jen neúnosně pomalou komunikaci. Technikům se podařilo přeprogramovat řídicí systém tak, aby místo Star Trackeru používal kombinovanou kameru, jejíž zorné pole je mnohem užší a tudíž pro takový složitý úkol naprosto nevhodné; dvakrát po sobě nečekané sluneční bouře vyvedly provizorní navigační systém z rovnováhy, pak se zase kamera zaměřila na hvězdu, která byla příliš slabá a systém ji nedokázal spolehlivě sledovat. Sonda byla jako plachetnice s potrhanými plachtami potácející se na rozbouřeném moři; přesto se nakonec podařilo vrtošivý systém zkrotit a přimět ke spolehlivé navigaci.


Koncem roku 1999 vedení NASA dospělo k názoru, že všechny potřebné údaje ze zkušebního provozu nových přístrojů byly získány a že může nechat hochy z JPL, aby si trochu zařádili s joystickem. Jako cíl byla vybrána kometa Borelly, která se po milióny let pohybovala po vzdálené periferii sluneční soustavy, než se v devatenáctém století neopatrně přiblížila k Jupiteru, který ji strhl na eliptickou dráhu, procházející každých sedm let v těsné blízkosti Slunce. (Zatímco planety obíhají miliardy let po svých poklidných, téměř kruhových drahách, komety vedou často velmi dobrodružný život.) Aby bylo možno setkání uskutečnit, bylo nutné naprogramovat řídicí počítač sondy pro let po složité dráze (rakety na klasické palivo získají během několika minut velký počáteční impuls a pak už letí setrvačností po celkem snadno předvídatelné, obvykle eliptické, dráze; sonda poháněná iontovým pohonem se však pohybuje po mnohem složitější trajektorii).


Deep Space 1 byla navíc poprvé vybavena autonomním řídicím systémem. Všechny dřívější automatické sondy vysílaly na Zem svůj signál, jehož analýzou pozemní středisko vypočítalo momentální polohu sondy a udílelo jí k tomu povely pro další let. Výše zmíněný Star Tracker umožňoval sondě, aby sama průběžně sledovala svou okamžitou polohu a řídila se sama.


K tomu všemu bylo potřeba vyslat sondě obsáhlé údaje; ty byly rozděleny do 90 souborů, které měly být postupně vysílány sondě pomocí velkých radioteleskopů globální sítě Deep Space Network. Za tím účelem bylo nutné nejprve přesně namířit k Zemi směrovou anténu. Po selhání Star Trackeru přeprogramovaný řídicí systém dokázal sondu přijatelně řídit; takovýhle úkol, vyžadující extrémní přesnost, však byl nad jeho síly. Bylo třeba vymyslet náhradní řešení.


Nejprve byla sonda otočena tak, aby její sluneční čidlo mířilo přesně na Slunce; zaměřit se na tak jasný objekt bylo snadné. Sonda teď znala směr ke Slunci i vzdálenost Země od Slunce; z toho dokázala odvodit úhlový poloměr kružnice, na níž se nacházela Země. Byla teď v podobné situaci, jako člověk, který stojí v temném pokoji se zavázanýma očima a má za úkol posvítit baterkou na cíl ležící metr od něj: zná vzdálenost cíle, ne však jeho směr. Má-li po ruce někoho, kdo ho může sledovat, pak stačí, když namíří baterku pod takovým úhlem, aby svítíla na podlahu do metrové vzdálenosti, a pak se pomalu točí dokola, dokud mu pozorovatel neřekne, že kužel světla dopadl na hledaný předmět.


Technici tedy sondě nařídili nastavit anténu na vypočtený úhel od Slunce, aby anténa mířila do takové vzdálenosti od Slunce, kde se může na své dráze nacházet Země. Pak se sonda začala otáčet rychlostí jedné obrátky za hodinu, stejně rychle, jako se pohybuje minutová ručička na hodinách. Když signál směrové antény přicházející k Zemi dosáhl maxima, technici vyslali sondě povel k zastavení rotace. Ne že by si mysleli, že pak bude sonda správně nasměrovaná; od okamžiku, kdy anténa vyslala rádiový paprsek přesně k Zemi, potřeboval tento paprsek zhruba patnáct minut, než doletěl k přijímacímu radioteleskopu, a dalších patnáct minut letěl zpět příkaz k zastavení rotace. Sonda se tedy zastavila s anténou mířící opět daleko mimo Zemi. Teď už ale technici věděli, o jaký úhel anténa Zemi míjí. Nechali sondu ještě jednou přetočit na druhou stranu, aby úhel přesně změřili, a vypočetli okamžik, kdy je třeba poslat směrové anténě další příkaz k zastavení tak, aby k ní po čtvrt hodině dorazil právě v okamžiku, kdy bude nastavena přesně k Zemi. Bylo to ještě komplikovanější: vědělo se, že potrvá několik sekund, než přijímač signál dekóduje, převede na řídicí povely a než orientační motory zareagují. Vyslaný příkaz proto obsahoval ještě povel k pootočení o pár úhlových minut zpátky.


Pak počkali na správný okamžik, vyslali příkaz, čekali, než kód doletí k sondě, vzdálené 250 miliónů kilometrů, a sledovali, jak signál otáčející se antény zvolna sílí. Anténa přijala kód, potom signál o něco zeslábl, jak dosud rotující sonda "přeběhla" správné nastavení, a za několik sekund opět zesílil ? už natrvalo ? na plnou hodnotu, když se sonda poslušně otočila o pár úhlových minut zpátky a zastavila se. Pak už se jen rozlehl nadšený jásot v řídícím středisku.


Teď bylo konečně možné začít posílat 90 datových souborů. Když jich bylo odesláno 81, sondu postihla náhlá indispozice, na kterou řídicí systém reagoval resetem ? vynulováním paměti a úplným restartem počítače! Všechny pracně přenesené navigační soubory byly ztraceny...


Nezbylo, než požádat obsluhu Deep Space Network o přidělení mimořádného vysílacího času na nejdražších radioteleskopech světa ? nejpozdější možný okamžik zahájení dlouhého manévru setkání s kometou se nebezpečně přiblížil ? a nakonec, po pěti dalších dnech hektického datového přenosu, se 8. června 2000 všechno šťastně stihlo.


28. června byl iontový motor nastartován na plný tah a začala cesta, která po patnácti měsících přivedla sondu 22. září 2001 až k těsnému průletu kolem osmikilometrového jádra komety ve vzdálenosti 3400 km.


Byl to teprve druhý takový úspěch nepilotované kosmonautiky od průletu sondy Giotto kolem jádra komety Halley ve vzdálenosti 596 km v roce 1986. Sondu Giotto tenkrát postihla smůla, jaké se technici obávali: v blízkosti komety ji zasáhlo drobné smítko prachu a při své obrovské rychlosti zničilo čočku kamery; když pak Giotto o šest let později prolétala ještě blíž kolem komety Grigg-Skjellerup, její oko už bylo slepé. Deep Space 1 průlet oblakem plynu a prachu (relativní rychlostí 16.5 km/s) ve zdraví přežila, přestože pro takové riskantní dobrodružství svou křehkou konstrukcí vůbec nebyla určena.

Přiložené obrázky:

start: start sondy
DS1: sonda Deep Space 1
motor: zkušební iontový motor při pozemních pokusech ve vakuové komoře
borelly1: na snímku jsou jasně vidět proudy plynu a prachu tryskajícího z jádra komety; tento materiál vytváří vlastní ohon komety.
borelly2: hladké, oblé pláně v centrální části jádra (jeho délka je cca 8 km) jsou zřejmě hlavním zdrojem tryskajícího materiálu; na koncích jádra je vidět rozeklaný terén s vysokými hřebeny
halley: pro srovnání záběr komety Halley
goldstone: 70-metrový radioteleskop Deep Space Network v Goldstone, USA

Sonda při letu
Motor sondy
Kometa Borelli
Jádro komety Borelli
Halleyova kometa
Goldstone




Celý článek | Autor: Jarda Pecka | Počet komentářů: 8 | Přidat komentář | Informaèní e-mailVytisknout článek


©2001 Zbyněk Slába, grafické prvky - Renáta Řehová
Stránky byly vytvořeny s využžitím redakčního systému: PhpRS