Kosmická sonda Cassini

Kosmická sonda Cassini bude vypuštěna v říjnu r. 1997. Po jedenácti letech (r. 2004) dorazí ke svému cíli, jímž je soustava Saturnu. Odtud nejprve vyšle průzkumnou sondu Huygens do atmosféry Titanu, a poté se na čtyři roky promění v satelit Saturnu.

Během pobytu na oběžné dráze Saturnu vykoná sonda Cassini řadu vědeckých experimentů. Bude zkoumat složení, fyzikální vlastnosti a dynamické změny atmosféry Saturnu, jeho magnetosféru, prstence ap. Průzkum atmosféry a povrchu Titanu má ve svém programu sonda Huygens.

Průběh letu

Sonda bude vypuštěna v říjnu r. 1997 pomocí raketového nosiče Titan IV - Centaur z mysu Canaveral na Floridě. Bude navedena na trajektorii Venuše - Venuše - Země - Jupiter (viz obrázek). Právě několikanásobné urychlení v gravitačním poli těchto vesmírných těles umožní vypuštění tak hmotného tělesa.

Sonda nejprve jednou obletí Slunce (perihelium první oběžné dráhy je 0,676 AU) a v dubnu 1998 dorazí k Venuši. Její přitažlivost dodá sondě energii. Po nové heliocentrické dráze se v červnu následujícího roku sonda opět vrátí k Venuši a podruhé využije její gravitace. Krátce na to (přibližně po 60 dnech) proletí kolem Země, kde se provedou poslední korekce její dráhy a znovu dojde i k jejímu zrychlení působením gravitace. Poslední pomocnou ruku podá sondě Jupiter v prosinci 2000. Mezi Jupiterem a Saturnem bude sonda využita k pokusu o detekci gravitačních vln pomocí vln radiových. 25. 6. 2004, po cestě dlouhé 2 454 dnů, dosáhne sonda ve vzdálenosti 0,3 poloměru Saturnu oběžné dráhy.

Experimenty provedené družicí

Na základě projektu Evropské kosmické agentury (ESA) provede družice Cassini 12 vědeckých experimentů:

1. studium plazmatu v magnetickém poli Saturnu,
2. analýzu částeček ledu a prachu v systému Saturnu a jeho bezprostřední blízkosti,
3. měření infračerveného záření povrchu, atmosféry a prstenců Saturnu a jeho měsíců; stanovení jejich teploty a složení,
4. pořízení snímků v oblasti viditelného, ultrafialového a infračerveného spektra,
5. studium neutrálních a nabitých částic hmotnostním spektrometrem v blízkosti Titanu, Saturnu a dalších těles soustavy v jejich vysoké atmosféře a ionosféře,
6. stanovení parametrů magnetického pole Saturnu a jeho interakcí se slunečním větrem, s magnetickým polem Titanu a s prstenci Saturnu,
7. zobrazení magnetosféry Saturnu a interakcí mezi magnetosférou a slunečním větrem,
8. zmapování povrchu Titanu radarem a zaznamenání jeho výškového profilu,
9. studium vln v plazmatu přirozeného radiového záření a kosmického prachu,
10. hledání gravitačních vln ve vesmírném prostoru, studium atmosféry, prstenců a gravitačního pole Saturnu a jeho měsíců sledováním změn charakteru radiových vln vysílaných sondou,
11. měření ultrafialového záření atmosféry a prstenců a studium jejich struktury, stavby a chemického složení,
12. identifikace chemického složení povrchu, atmosféry a prstenců Saturnu a jeho měsíců měřením spekter emitovaného viditelného a infračerveného světla.

Sonda Huygens

se od nosné družice Cassini oddělí při prvním obletu planety v listopadu 2004 a do atmosféry Titanu vstoupí o 21 dní později. Po dobu dvou a půl hodiny, až do dopadu na pevný povrch, bude shromažďovat a předávat data. Umělá družice Saturnu bude dále pokračovat ve své cestě.

Sonda Huygens o průměru 2,7 m, která má v plánu šest palubních experimentů, pronikne do atmosféry rychlostí přibližně 6 km/s. K ochraně před tepelnou energií dosahující hodnot 35 kWh za necelou minutu použije tepelný štít (podobný jako užívají americké raketoplány). Vlastní povrch sondy dosáhne maximální teploty 1 700 °C. Krátce na to 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 Titanu. 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 částic rozptýlených v atmosféře, a budou pořizovat snímky mračen i povrchu. Sonda je primárně vybavena pro pád atmosférou trvající 2 - 2,5 hodiny, ale vzhledem k rychlosti pouhých 5 m/s je možné, že při dosednutí na povrch Titanu nebude zcela zničena. V tom případě bude schopna studovat jeho povrch.

Sonda Cassini

Projekt vesmírné sondy Cassini představuje další technický krok vpřed. Životnost vybavení musí splňovat nároky základních testů, a zejména nároky letu po dobu 12 let. Musí být tedy zaručena i požadovaná tolerance a rezerva. Další požadavky diktuje samo prostředí meziplanetárního prostoru, a to vysokou radiací, či náhodnými setkáními s kosmickým zářením i jinými energetickými částicemi. Všechny tyto nároky jsou zvlášť kritické pro počítač kontrolující primární systémy letící sondy. Během letu se sonda také přiblíží mezím své tepelné tolerance. Na své pouti slunečním systémem bude vystavena jednak vysokým teplotám v blízkosti 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. Bez ohledu na extrémní teplotní výkyvy musí být většina citlivých přístrojů i elektronika umístěny po celou dobu letu v teplotě blížící se pokojovým podmínkám.

V důsledku těchto 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 doplnění pohonných hmot stoupne na 5 630 kg. Součástí sondy je 12 technických, do značné míry samostatných systémů.

1. Strukturní systém vytváří oporu a zabezpečuje stabilní prostorové rozmístění veškerému dalšímu vybavení, včetně sondy Huygens. Zajišťuje i částečnou ochranu před radiací a mikrometeory.
2. Radiokomunikační systém slouží ke spojení se sondou a podílí se na radiových měřeních. Vytváří signál 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 systém reguluje napětí (30 V) stejnosměrného proudu na radioizotopovém termoelektrickém generátoru sondy. Termoelektrický generátor dosáhne krátce po startu výkonu 800 W, který v průběhu dalšího letu klesá až na 640 W, což je stále ještě dostatečný výkon. Příčinou tohoto poklesu je krátký poločas rozpadu paliva. Nadbytek energie odchází do okolního prostoru v podobě tepla radiátorem elektrického bočníku.
4. Povelový a datový systém získává základní příkazy od systému radiokomunikačního. Zpracovává je a rozděluje dalším systémům prostřednictvím zálohované datové sběrnice MIL-STD-1553B. Vlastní povelový a datový systém užívá jedno ze dvou zastupitelných polovodičových záznamových zařízení a počítačů MIL-STD-1750A programovaných v ADA. Povelový a datový systém získává data od ostatních palubních systémů a od vědeckých přístrojů, zpracovává je, upravuje pro dálkový přenos a přes radiokomunikační modul je odesílá na Zemi. Software systému obsahuje algoritmy, které chrání sondu v případě nečekaných událostí či v případě závady. Zajišťuje stabilizaci a “zakonzervování“ sondy na dobu dvou týdnů. Poskytne tak dostatečnou dobu k řešení problému a k zaslání nových příkazů ze Země.
5. Orientační a polohovací systém zajišťuje kontrolu sondy při korekcích dráhy a při jejím natáčení v prostoru. Orientace vědeckých přístrojů a antén zajišťuje s přesností lepší než 2 miliardtiny. Rotační pohyb je plně řízen systémem setrvačníků, ale pro rychlejší manévry se používá řídicích trysek. Systém obsahuje soubor polohových senzorů: sluneční senzor, hvězdný senzor, akcelerometr, trojosý mechanický gyroskopický systém a ovladače výkyvného závěsu hlavního motoru. Výpočty obstarávají dva počítače, identické s počítači povelového a datového systému.
6. Pohonný modul zajišťuje korekce dráhy a stabilizaci sondy. Na základě příkazů orientačního systému udržuje orientaci a zaměřování letící sondy i korekce její rychlosti. Pro řízení polohy a malých změn rychlosti je sonda vybavena třemi skupinami řídicích trysek. Každou z nich tvoři čtyři trysky o tahu  0,67N. Pro velké změny rychlosti je používán jeden ze dvou vzájemně zastupitelných hlavních motorů. Každý z nich je schopen vyvinout tah 445 až 490 N. Motory jsou výkyvně uloženy a během činnosti jsou orientovány tak, aby vektor tahu procházel těžištěm sondy. Jako pohonná látka řídicích trysek slouží jednosložkový hydrazin (N₂H₄) se specifickým impulzem 215 s. Hlavní motory používají dvousložkové pohonné látky (oxid dusičitý a monometylhydrazin) se specifickým impulzem 308 s.
7. Klimatizační systém 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, radioizotopové topné jednotky, mnohavrstevné izolační povlaky a elektrická topná tělesa. Na mnoha místech sondy jsou teplotní čidla a jejich měření se převádějí na příkazy elektrickému topnému tělesu. K zastínění celé sondy může být využita velká parabolická anténa (anténa s vysokým ziskem) namířená ke Slunci.
8. Anténní systém zahrnuje anténu 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. Kromě antény s vysokým ziskem nese sonda i dvě antény s nízkým ziskem, které společně zajišťují prakticky všesměrové vysílání a příjem signálů v pásmu X.

Nové technologie

Družice Cassini nabídla technologický základ pro inovace v technických a informačních systémech.

Zatímco předchozí planetární sondy užívaly k záznamu dat palubní kazetový magnetofon, Cassini má zabudováno nové polovodičové zařízení pro, které umožní, že zaznamenávání a přenos dat bude spolehlivější a účelnější než u záznamu klasického a že s ním bude možné pohodlněji a snáze manipulovat. Výrazným rysem je robustní architektura se zabezpečením proti chybám a s vestavěnými testovacími a záložními komponentami. Jestliže některý integrovaný obvod selže, systém je schopen změnit 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 řídící operace družice využívá novou třídu elektronických čipů. Mezi nimi jsou integrované obvody s velmi vysokou rychlostí (VHSIC) a nové výkonné specializované integrované obvody (ASIC). Každá tato součástka nahrazuje stovky nebo i více konvenčních čipů. Počítače užívají 16bitový instrukční set MIL-STDA. Hmotnost počítače je 3 kg, jejich průměrný příkon je 5 W při rychlosti 1,2 MIPS. Kapacita jejich paměti činí 512 000 slov. V porovnání s počítačem sondy Galileo je tedy čtyřikrát rychlejší, více než o polovinu menší, ale s desetinásobnou kapacitou paměti.

Energetický systém používá polovodičový elektronický jistič vyvinutý právě pro sondu Cassini, který připojuje všechny spotřebiče na sondě k rozvodné síti s vysokou spolehlivostí, mnohonásobně převyšující spolehlivost běžných pojistek a relé. Zahrnuje v sobě funkce běžné pojistky s přepínačem volby alternativních propojení. Jeho přídavné funkce zahrnují regulaci běžného přívodu proudu, přepínání mezi úrovněmi zajišťující ochranu zařízení před selháním, telemetrii a zabudované zdvojení. Je vestavěn v malé (51 x 51 x 8,3 mm) skříňce vážící 37 g. Nahrazuje klasické součástky, které zabíraly 15krát více prostoru a jejichž hmotnost byla 11krát vyšší. Cassiniho sonda nese 192 těchto spínačů. Každý z nich je schopen přenosu a spínaní až do zatížení 90 W.

Závěr

V roce 2004 dorazí sonda Cassini k Saturnu a započne tu svou činnost. Údaje, které získá, rozšíří podstatnou měrou naše znalosti získané při průletu sond Voyager. Cassini bude na oběžné dráze pracovat nejméně 4 roky, uskuteční mnoho výzkumů Saturnovy soustavy, které, mimo jiné, bude možno porovnat i s výsledky sondy Galileo, mířící k Jupiteru.

(Psáno pro Vesmír, z angličtiny přeložil Pavel Hošek)