Cassiniho mise k Saturnu

Jaroslav K. Langmaier (překlad Pavel Hošek)

Vesmírná sonda Cassini bude vypuštěna v říjnu r. 1997. Po jedenácti letech, (tedy r. 2004) dorazí ke svému cíli, kterým je soustava Saturnu. Zde nejprve vyšle průzkumnou sondu Huygens do atmosféry Titanu a poté se na další čtyři roky promění v satelit Saturnu.
Během pobytu v saturnově systému vykoná sonda řadu vědeckých experimentů. Bude studovat složení, fyzikální vlastnosti a dynamické změny atmosféry Saturnu, jeho magnetosféru, prstence ap. Průzkum atmosféry a povrchu Titanu má na svém programu sonda Huygens. Je vybavená, mimo jiné, radarem pracujícím v Ku pásmu.

Průběh letu

Sonda bude vypuštěna v říjnu r. 1997 za pomoci raketového nosiče Titan IV - Centaur z misu Canaveral na Floridě. Bude navedena na trajektorii Venuše - Venuše - Země - Jupiter (viz obr. 1). Právě několikanásobné gravitační urychlení těmito vesmírnými tělesy, umožní vypuštění takto hmotného tělesa.
Sonda nejprve jednou obletí Slunce (perihélium první oběžné dráhy je 0,676 AU) a v dubnu 1998 dorazí k Venuši. Její přitažlivost dodá energii sondě, která se po nové oběžné dráze kolem Slunce opět vrátí k Venuši v červnu následujícího roku, aby podruhé využila její gravitace. Krátce na to (přibližně po 60 dnech) proletí sonda kolem Země, kde budou provedeny poslední korekce její dráhy a znovu dojde i k jejímu zrychlení působením gravitace, tentokráte však gravitace Země. Poslední pomocnou ruku podá sondě Jupiter v prosinci 2000. Mezi Jupiterem a Saturnem bude sonda využita k pokusu o detekci gravitačních vln pomocí radiových vln v pásmu Ka a X. 25. 6. 2004 po cestě dlouhé 2 454 dnů dojde ve vzdálenosti 0,3 poloměru Saturnu k umístění sondy na oběžné dráze.

Experimenty provedené družicí

Na základě projektu Evropské vesmírné agentury (ESA) provede družice Cassini 12 vědeckých experimentů:
1. průzkum plazmy v magnetickém poli Saturnu,
2. analýzu částeček ledu a prachu v saturnově systému a jeho blízkosti,
3. měření infračerveného záření povrchu, atmosféry a prstenců Saturnu a jeho měsíců; stanovení jejich teploty a složení,
4. pořizování snímků v oblasti viditelného, ultrafialového a infračerveného spektra,
5. výzkum neutrálních a nabitých částic v blízkosti Titanu, Saturnu a dalších těles k upřesnění rozsahu jejich atmosféry a ionosféry,
6. stanovení parametrů magnetického pole Saturnu a jeho interakcí se slunečním větrem, magnetickým polem Titanu a prstence,
7. zobrazení magnetosféry Saturnu a interakcí mezi magnetosférou a solárním větrem,
8. zmapování povrchu Titanu pomocí radaru a stanovení vyšších a výraznějších povrchových útvarů,
9. vyšetření přirozených emisí radiových vln a prachu,
10. hledání gravitačních vln ve vesmírném prostoru, studium atmosféry, prstence a gravitačního pole Saturnu a jeho měsíců měřením změn radiových vln vysílaných sondou,
11. měření ultrafialového záření atmosféry prstenců a studium jejich struktury, stavby a chemického složení,
12. identifikace chemického složení povrchu, atmosféry a prstenců Saturnu a jeho měsíců měřením frekvence emitovaného viditelného a infračerveného světla.
Sonda Huygens se od nosné družice Cassini oddělí při prvním obletu v listopadu 2004 a do atmosféry Titanu vstoupí o 21 dní později. Po dobu dva a půl hodiny bude shromažďovat a předávat data až do své srážky s pevným povrchem. Umělá družice Saturnu bude déle pokračovat ve své cestě.
Sonda Huygens o průměru 2,7 m s šesti plánovanými palubními experimenty pronikne do atmosféry rychlostí přibližně 6 km/s. Použije tepelný štít (podobný jako užívají raketoplány) k odražení tepelné energie o hodnotě 35 kWhod. za dobu kratší než jedna minuta. Vlastní povrch sondy dosáhne maximální teploty 1 700 °C. Krátce nato se ve výšce 170 km otevře hlavní padák, který měří 8,7 m v průměru. O 30 sekund později se uvolní tepelný štít a jeho podpůrné struktury. Obnaží se centrální část modulu se senzory vědeckých přístrojů, které budou pracovat po celou dobu pomalého sestupu temnou atmosférou až k povrchu. Sonda nese akcelerometr k měření zrychlení v dolních vrstvách atmosféry. Ostatní senzory budou měřit teplotu, tlak, strukturu, fyzikální vlastnosti a chemické složení atmosféry, mračen a rozptýlených částic, pořizovat snímky mračen a povrchu. Sonda je primárně vybavena pro 2 - 2,5 hodiny trvající pobyt v atmosféře, ale vzhledem k rychlosti pouhých 5 m/s je možné, že při dosednutí na povrch Titanu nebude zcela zničena. Jestiže bude i po přistání funkční, bude schopna studovat povrch Titanu.

Sonda Cassini

Projekt vesmírné sondy Cassini představuje jisté technické změny, novinky. Životnost vybavení musí splňovat nároky základních testů a nároky letu po dobu 12 let. Musí být tedy zaručena i požadovaná tolerance a rezerva. Další požadavky diktuje samo prostředí meziplanetárního prostoru, který reprezentuje vysokou radiaci či náhodná setkání s kosmickým zářením i jinými energetickými částicemi. Všechny tyto nároky jsou zvlášť kritické pro počítač kontrolující primární subsystémy letící sondy. Během letu se sonda také přiblíží mezím své tepelné tolerance. Na své pouti solárním systémem bude sonda Cassini vystavena jednak vysokým teplotám u Venuše (0,7 AU od Slunce) a jednak, v konečné fázi letu, i teplotám velmi nízkým, neboť vzdálenost Saturnu od Slunce je 10 AU. Rozdíl obou teplot je v poměru více než 200 : 1. Navzdory těmto extrémním teplotním výkyvům musí být většina citlivých přístrojů a elektronika umístěna po celou dobu letu v teplotě blížící se pokojovým podmínkám.

Sonda Cassini směřující k Saturnu byla pojmenována podle Itala Giovanna Domenica Cassiniho (1625 - 1712) prvního ředitele Pařížské observatoře, který objevil několik saturnových satelitů a hlavní rozdělení saturnova prstence (tzv. Cassiniho dělení). Sonda určená k průzkumu atmosféry Titanu dostala své jméno podle holandského fyzika Christiaana Huygense (1629 - 1695, který objevil Titan a první správně popsal skutečnou podstatu saturnových prstenců.

V odezvu na tyto a stovky dalších požadavků je sonda stabilizována podle všech tří os. Na výšku měří 6,8 m a její maximální průměr činí 4 m. Čistá hmotnost včetně sondy Huygens je 2 502 kg, po naplnění pohonnými hmotami stoupne na 5 630 kg. Součástí sondy je 12 technických subsystémů.
1. Strukturní subsystém vytváří oporu a zabezpečuje stabilní prostorové rozmístění veškerému další vybavení včetně sondy Huygens. Zajišťuje i částečnou ochranu před radiací a mikrometeory.
2. Radiový frekvenční subsystém slouží k telekomunikaci sondy a podporuje radiová měření. Produkeje záření ve vlnovém pásmu 8,4 GHz, moduluje získaná technická a vědecká data, zesiluje je na 19 W a předává anténě s vysokým ziskem.
3. Energetický a pyrotechnický subsystém reguluje napětí stejnosměrného proudu na radioizotopovém termoelektrickém generátoru sondy, které činí 30 V. Termoelektrický generátor dosáhne výkonu 800 W krátve po startu. Rozpad radioizotopového paliva umožňuje během letu dále zvyšovat napětí. Odhaduje se, že na konci letu (po splnění všech plánovaných úkolů) bude výkon 640 W. Podsystém také zabezpečuje energii pro různé pyrotechnické úkoly. Nadbytek energie je v podobě tepla odstraňován do okolního prostoru díky pomocí radiátoru elektrického bučníku.
4. Příkazový a datový subsystém získává základní příkazy od podsystéme frekvenčního a radiového. Zpracovává je a rozděleje dalším subsystémům přes rezervní datový MIL-STD-1553B. Vlastní příkazový a datový podsystém užívá jedno ze dvou zastupitelných polovodičových zařízení a počítač MIL-STD-1750A programovaný v ADA. Příkazový a datový podsystém získává data od ostatních palubních podsystémů a od vědeckých přístrojů, zpracovává je, upravuje pro dálkový přenos a přes radiový frekvenční modul je odesílá na Zemi. Software subsystéme obsahuje algoritmy, které chrání sondu v případě nečekaných událostí či v případě závady. Zajišťují, že v případě závažného poškození bude sonda stabilizována a „zakonzervována“ na dobu dvou týdnů. Dá tak příležitost k odhalení problému a k zaslání nových příkazů ze Země.
5.Polohový subsystém a subsystém kontrolující propojení všech částí sondy zajišťuje dynamickou kontrolu sondy při pohybu, přemisťování a rotaci. Poloha vědeckých přístrojů a antén je měřena s přesností méně než 2 miliardtiny. Rotační pohyb je plně kontrolován reaktivním kormidlem ačkoliv rychlejší pohyb je trvale ustalován skupinou řídících trysek. Podsystém obsahuje soubor senzorů: sluneční senzor, hvězdný senzor, ekcelerometr, trojosý mechanický gyroskop a poháněcí zařízení výkyvného závěsu hlavního motoru. Výpačty zajišťují dva počítače, které jsou v užívání příkazového a datového podsystéme identické.

V týmu, který konstruuje, vyrábí a testuje sondu Cassini pracují stovky vědců a techniků z 16 zemí Evropy a z 32 států USA. Ve Spojených státech je manažerem letu Jet Propulsion Laboratory kalifornského technologického institutu v Pasadeně v Kalifornii, kde byla sondy také sestavena.
Vývojem sondy Huygens se zabývá projekční tým Evropského centra pro vesmírnou technologii a výzkum v Noordwijku v Holandsku. Hlavním dodavatelem při výrobě sondy Huygens je Francie, avšak na konstrukci a zkouškách přístrojového vybavení se podílí mnoha dalších evropských států. Italská vesmírná agentura přispšla anténou s vysokým ziskem a z velké části dodala i tři vědecké přístroje. Spojení se sondou Cassini během letu budou zajišťovat stanice NASA v Kalifornii, Španělsku a Austrálii.

6. Pohonná jednotka zajištuje pohyb sondy a udržuje ji ve stabilní poloze (reguluje rotace). Na základě příkazů polohového subsystému udržuje polohu, rychlost a směr letící sondy a provádí vektorové změny rychlosti. Pro kontrolu polohy a malých změn rychlosti je sonda vybavena třemi skupinami řídících trysek. Každá z nich je složena ze čtyř trysek o síle 0, 67 N. Pro velké změny rychlosti je používán jeden ze dvou vzájemně zastupitelných hlavních motorů. Každý z nich je schopen vyvinout tah o síle 445 až 490 N. Motory jsou uloženy nezávisle a jsou-li v činnosti, je jejich poloha kontrolována tak, aby bylo těžiště hlavního tělesa sondy stále udržováno na přímce vektoru pohybu. Jako jednosložková pohonná hmota řídících trysek slouží hydrazin (N2H4), který je zažíhán v impulsech trvajících 215 s. Pohon hlavních motorů je dvousložkový. Nitrogen tetraoxid a metylhydrazin je dávkován pro zážeh trvající 308 s.
7. Subsystém kontrolující teplotu zajišťuje provozuschopnost sondy během celého letu, tedy v rozmezí vzdáleností 0,61 - 10 AU od Slunce. Teplota různých částí sondy je udržována v přípustných mezích množstvím místních zařízení jako jsou automatické bimetalové reflexní žaluzie, radioizotopová topná jednotka, mnohavrstevné izolační povlaky a elektrické topné těleso. Teplotní čidla jsou lokalizována na mnoha místech sondy a jejich měření jsou převedena na příkazy elektrickému topnému tělesu. K zastínění vlastního tělesa sondy může být využita velká anténa namířená ke Slunci.
8. Anténní subsystém včetně antény s vysokým ziskem pro přenos v pásmech X, Ka, S, Ku a pro příjem v pásmech X a Ka. Pološířka paprsku 0,14° v pásmu X vyžaduje velmi přesné zaměření. Konečně anténa s vysokým ziskem obsahuje dvě antény s nízkým ziskem, které společně vysílají v pásmu X.

Nové technologie

Družice Cassini nabídle technologický základ pro několik inovací v technických a informačních systémech.
Zatímco předchozí planetární sondy užívaly k záznamu dat palubní kazetový magnetofon, Cassini má zabudován nový pevný záznam dat bez pohyblivých částí, který umožní, že záznam a přenos dat bude spolehlivější a účelnější než u klasického záznamu a že s ním bude možné pohodlněji a snáze manipulovat. Výrazným rysem je robusní proti chybám tolerantní architektura s vestavěnými testovacími a záložními komponentami. Jestliže mikroprocesor selže, systém změní cestu kolem poškozeného zařízení. Cassini nese dva záznamníky, každý s kapacitou 1,8 Gbitů. Základní paměťové bloky jsou zkonstruovány jako 4 Mbitové dynamické RAM (operační paměti).
Hlavní palubní počítač řídí operace družice s použitím nové třídy elektronických čipů. Mezi nimi jsou integrované obvody s velmi vysokou rychlostí (VHSIC) a nové výkonné integrované obvody se specifickou aplikací (ASIC). Každá tato součást představuje stovky nebo i více konvenčních čipů. Počítače užívají 16 bitový instrukční set MIL-STDA. Hmotnost počítače je 3 kg, jejich průměrný výkon je 5 W s rychlostí 1,2 MIPS a 512 000 slovy paměti. V porovnání s počítačem sondy Galileo je čtyřikrát rychlejší, více jak o polovinu menší s desetinásobnou kapacitou paměti.
Energetický subsystém používá pevný elektrický spínač vyvinutý právě pro sondu Cassini, který spojuje všechny spotřebiče na sondě k rozvodné síti s vysokou spolehlivostí a funkčně jej přepojuje přes standartní relé a pojistky, které zahrnují standartní přerušovače proudu v obvodech. Jeho přídavné funkce zahrnují limitaci běžného přívodu proudu, přepínání mezi úrovněmi zajišťující ochranu zařízení před selháním, telemetrii a konstrukční zdvojení. Je vestavěn v malé (51 × 51 × 8,3 mm) skříňce vážící 37 g. Nahrazuje dřívější součásti, které zabíraly 15 x více prostoru a jejich hmotnost byla 11 x vyšší. Cassiniho sonda nese 192 těchto spínačů. Každý ze spínačů je schopen přenosu a spínaní až do zatížení 90 W.

Domovská stránka Pavla Hoška