Hayabusa

Japonská sonda Hayabusa, ktorá bola vypustená behom skúšky nosnej rakety M-5, predstavuje prvý pokus o získanie vzorky materiálu z povrchu asteroidu a jeho dopravu na Zem. V súčasnosti sa nachádza na heliocentrickej dráhe a približuje sa k cieľovej planétke (25143) Itokawa.

Hlavnou úlohou sondy je vyskúšanie nových technológií budúcich medziplanetárnych misií ako je napríklad iontový pohon, systém autonómnej navigácie, metódy odberu vzoriek z asteroidu s prakticky nulovou gravitáciou a návrat na Zem. Behom letu popri asteroide má ďalej skúmať jeho rotáciu, topografiu, farbu, zloženie, hmotnosť a hustotu, fotometrické a polarometrické vlastnosti a sprostredkovane tiež vnútornú skladbu a histórii.

Súčasťou sondy je tiež malý výsadkový modul Minerva, ktorý má poskakovať po povrchu asteroidu. Valcový aparát Minerva je vybavený tromi kamerami, ktoré majú získavať snímky povrchu z najmenšej možnej vzdialenosti. Okrem toho má merať teplotu. Dáta sa posielajú prostredníctvom materskej sondy. Pôvodne sa tiež počítalo s malým vozíkom (nanoroverom) Muses-CN, čo mal byť príspevok amerického partnera; tento prístroj bol však z finančných dôvodov zrušený.

Oznámené náklady na misiu sú 12 miliárd yenov (asi 100 mil. USD).

Konštrukcia

Trojosovo stabilizovaná sonda má tvar kvádra s podstavou 1.5×1.5 m a výškou 1.05 m. Na bočných stenách sú upevnené dva panely fotovoltaických batérií. Na hornej podstave je inštalovaná na kardanovom závese s dvoma stupňami voľnosti vysokozisková parabolická anténa o priemere 1.5 m. Hlavný pohon sondy zabezpečuje dvojica iontových motorov, ktoré používajú ako pracovné médium xenón ionizovaný pôsobením účinkov mikrovĺn. Plazma je urýchlovaná vysokonapäťovými elektródami do štyroch trysiek, ktoré sú usporiadané na jednom boku telesa sondy. Špičkový výkon iontového pohonu je 0.02 N pri príkone 1 kW energie. K manévrovaniu a udržovaniu orientácie sa používajú klasické dvojzložkové chemické (oxid dusičitý a hydrazín) raketové motory so špičkovým ťahom 22 N.

Celková štartovacia hmotnosť sondy bude 530 kg, pričom 50 kg tvoria pohonné látky pre chemické raketové motory a 65 kg xenón pre iontový elektrický pohon.

Slnečné batérie s celkovou plochou 12 m2 na báze GaAs sú schopné produkovať 700 kW elektrickej energie vo vzdialenosti 1 AU (150 mil. km) od Slnka a dobíjajú NiMH akumulátorové batérie s kapacitou 15 Ah. Komunikácia prebieha cez nízkoziskovú anténu v rádiovom pásme X a S alebo cez vysokoziskovou anténu v pásme X. Vysielač má výkon 20 W.

Sonda je vybavená radom prístrojov, ktoré okrem vedeckých účelov budú použité zároveň ako prostriedky navigácie v okolí planétky. Patrí sem napríklad:

1. kamera ONC (Optical Navigation Camera), 2. laserový lokátor LIDAR (Light Detecting And Ranging), 3. laserový diaľkomer LRF (Laser Range Finder), 4. senzory FBS (Fan Beam Sensors), 5. infračervený a rentgenový spektrometer.

Hayabusa je vybavená odberovým zariadením, ktoré má získať asi 1 g vzorku povrchu asteroidu z troch rôznych miest. Pred zahájením odberu vzoriek bude z výšky asi 100 m zhodený na povrch malý lesklý terčík TM (Target Marker), ktorý poslúži pri autonómnom manévrování, pri ktoré musí byť zachovaná nulová relatívna horizontálna rýchlosť medzi sondou a planétkou. Vlastné odberové zariadenie pozostáva z nálievkovitej trubice o priemere 0.4 m na konci, ktorá bude umiestnená nad miesto odberu. Pyrotechnické zariadenie potom vystrelí stredom násosky projektil s hmotnosťou 10 g rýchlosťou 200 až 300 m/s proti povrchu. Projektil vytvorí malý impaktný kráter a súčasne zvíri prach na asteroide. Prach a rozdrvený materiál z impaktu budú zachytené trychtýrovitou trubicou a zhromaždené v zásobníku. Potom budú premiestnené do návratového púzdra.

Návratové púzdro s priemerom 0.4 m a výškou 0.25 m s hmotnosťou asi 20 kg je behom letu až do okamžiku príletu k Zemi upevnené na bočnej stene sondy neďaleko odberovej trubice vzoriek. Púzdro s konvexnou prednou časťou je pokryté ablatívnym materiálom o sile 30 mm, ktorý má chrániť konštrukciu pri vstupe do zemskej atmosféry. Ten sa má odohrať rýchlosťou zhruba 13 km/s. Zostup má po prvom aerodynamickom zbrzdení pokračovať ďalej na padáku. Nájdenie púzdra je uľahčené inštalovaným rádiovým majákom.

Vedecké vybavenie

Na palube sondy sa nachádzajú nasledujúce vedecké prístroje:

kamera AMICA (Asteroid Multi-band Imaging Camera) slúžiaca k snímkovaniu, vizuálnemu a polarometrickému štúdiu a optickej navigácii u asteroidu

laserový diaľkomer LIDAR (Light Detection and Ranging)

infračervený a rentgenový spektrometer

Prípravy k štartu a priebeh letu

Pôvodným cieľom misie bol asteroid Nereus, ku ktorému sa sonda mala vydať v júli 2002. Asteroid mal byť dosiahnutý v roku 2003 a sonda sa mala vrátiť na Zem v júni 2006. Na programe participovala aj americká NASA, ktorá mala poskytnúť pomoc pri rádiovom sledovaní letu sieťou staníc DSN (Deep Space Network), skúškami ablatívneho štítu návratového púzdra, za účasti pri pozemných rozboroch dovezených vzoriek a ďalej mala vyvinúť miniatúrny rover Muses-CN.

V auguste 2000 sa schválilo rozhodnutie o zmene cieľa ako aj dátumu štartu. Novým cieľom bol stanovený, v tej dobe zatiaľ nepomenovaný asteroid 1998 SF36, a štart bol odložený na november až december 2002 s tým, že k stretnutiu s planétkou kategórie NEA (Near Earth Object) dôjde v septembri 2005 a púzdro so vzorkami pristane na Zemi v júni 2007. Odklad a zmena cieľa bola spôsobená oneskorením vo vývoji nosnej rakety M-5. Asteroid 1998 SF36, ktorému bolo neskôr pridelené definitívne číslo a pomenovanie (25143) Itokawa, ktorý má obežnú dobu 1.5 roku a priemer 0.3×0.7 km, sa priblížil k Zemi 2001-03-29 na iba 6.4 mil. km a 2004-06-25 má preletieť vo vzdialenosti dokonca len 2.09 mil. km.

V novembri 2000 zrušila NASA svoj príspevok vo forme miniatúrneho rovera z dôvodu neúmerne narastajúcich finančných nákladov.

Iontový motor bol pred štartom dlhodobo skúšaný, pričom úspešne pracoval po dobu viac ako 18000 hodín. Štart sondy sa uskutočnil 2003-05-09 o 04:29:25 UT z japonského kozmodrómu Kagoshima raketou na pevné palivo M-5. Krátko po štartu bola stanica Musec-C premenovaná na Hayabusa (Sokol) a sonda bola navedená na preletovú dráhu k asteroidu (25143) Itokawa.

Iontové motory boli skúšobne spustené v období od 2003-05-27 do poloviny júna.

6.11.2003 sa sonda nachádzala vo vzdialenosti 7.2 mil. km od Zeme. Celková doba činnosti iontových motorov dosiahla hranice 6000 h. Let zatiaľ pokračoval hladko podľa plánu.

19.5.2004 o 06:23 UT minula sonda vo výške 3725 km Zem. Pri preletu získala prírastok rýchlosti potrebný k ďalšiemu letu k asteroidu. Behom niekoľko dní okolo okamžiku preletu bola skúšobne fotografovaná Zem a Mesiac. Snímkovanie slúžilo k overeniu funkcie a kalibrácie palubnej kamery AMICA.

Dňa 9.12.2004 zaznamenal iontový pohon sondy už 20 tis. hodín kumulovanej doby činnosti. Zmena rýchlosti dosiahla 1300 m/s a bolo spotrebovaných 20 kg pracovnej látky. Sonda sa pohybovala vo vzdialenosti cez 1.3 AU a riadenie zo Zeme v reálnom čase už prakticky nebolo možné. Rádiový signál potreboval od odvysielania do potvrdenia príjmu viac ako 20 min. Vplyvom vzdialenosti sa tiež znížila rýchlosť prenosu telemetrie. Hlavnú zodpovednosť za úspešný priebeh letu museli prebrať automatické systémy. Hayabusa sa napriek tomu správala podľa predpokladov a spoľahlivo pokračovala v ceste.

K stretnutiu s asteroidom malo, podľa plánu uverejneného po štartu sondy, dôjsť v júni 2005. Na schôdzku však kozmická stanica dorazila s miernym meškaním. Pravdepodobnou príčinou bolo čiastočné poškodenie slnečných batérií, ktoré neboli schopné produkovať dostatočne veľký výkon, potrebný na plný ťah iontového pohonu. Vzhľadom k tomu, že sonda na heliocentrickej dráhe vykonáva manévre, ktoré ju majú priviesť na identickú trajektóriu asteroidom, nie je ale dátum dosiahnutia ciele príliš kritický a môže sa v širokom rozmedzí zmeniť.

Tesne pred dosiahnutím cieľového asteroidu sa vyskytla chyba na jednom z troch silových zotrvačníkov. Na gyroskope na ose X sa prejavilo zvýšené trenie, čo nakoniec viedlo k odstaveniu zotrvačníka dňa 21.7.2005. Sonda bola ale navrhnutá tak, aby bola schopná pokračovať v lete aj s dvoma funkčnými gyroskopmi prostredníctvom tzv. módu DRW (Double- Reaction-Wheel). Tento mód bol aktivovaný, sonda sa opät stabilizovala a od tej doby fungovala normálne.

Prvý nesmelý kontakt s blížiacim sa cieľom sa podaril pomocou obrázkov, ktoré získal sledovač hviezd (čo je v podstate istý druh navigačnej kamery). Kamera zachytila obraz asteroidu v dňoch 29.7.2005 a 30.7.2005, ďalej 8.8.2005 a 9.8.2005 a konečne 12.8.2005. Kombinácia optického vyhodnotenia celkovo 24 snímkov a rádiového merania poslúžila na presné zacielenie sondy do tesnej blízkosti asteroidu. Krátko potom, čo uspel v detekcii cieľa sledovač hviezd (star tracker), podarilo sa vyfotografovať asteroid navigačnou kamerou ONC-T (Optical Navigation Camera - Thin). Snímky boli zachytené 23.8.2005 a 24.8.2005 a pre verejné predvedenie zostavené do krátkeho filmu, zachycujúceho pohyb jasného bodu (Itokawa) na pozadí hviezdneho poľa. V dobe expozície bola sonda vzdialená od cieľového objektu menej ako 10 tis. km a 330 mil. km od Zeme.

28.8.2005 bolo manévrovanie na dráhe prevedené z iontových motorov na klasické raketové motory na dvojzložkovej KPL. Iontové motory boli v činnosti od konca júla po skončenej slnečnej konjunkcii. Posledná fáza stíhania asteroidu prebiehala na plný ťah elektrického pohonu. Koncom augusta sa vzdialenosť znížila už na 4800 km a cieľ sa približoval rýchlosťou zhruba 32 km/h.

Celková doba činnosti iontových motorov dosiahla 25800 hodín a bola pomocou nich dosiahnutá zmena rýchlostiv=1400 m/s. Motory spotrebovali 22 kg pracovnej látky, ktorou je tradičný xenón. Jeden zo štyroch motorov bol v chode dokonca celých 10400 hodín. Iontové motory uskutočnili behom doby misie dve tretiny všetkých orbitálnych manévrov. Ďalšiu operáciu už mali uskutočňovať len klasické motory, pomocou ktorých sa mal dosiahnuť východzí bod, ktorý bol určený vo vzdialenosti 20 km nad planétkou Itokawa.

1.9.2005 sa asteroid priblížil na 1900 km a vzájomná relatívna rýchlosť bola 18 km/h.

Dňa 4.9.2005 sa sonda nachádzala vo vzdialenosti približne 1000 km od cieľa a rýchlosť približovania sa znížila na 10 km/h. Séria snímkov získaných navigačnou kamerou, aj keď planétka zaberala len niekoľko obrazových bodov, už umožnila určit približný tvar asteroidu. Snímky v podstate potvrdili pretiahnutý tvar telesa s rotačnou osou orientovanou kolmo k rovine ekliptiky. Rotačná perióda bola vypočítaná na 12 h. Dňa 5.9.2005 sa sonda priblížila k cieľu na 750 km. Zároveň sa nachádzala vo vzdialenosti 324.8635 mil. km od Zeme.

8.9.2005 sa zmenšila vzdialenosť od planétky už na 175 km a konečne 12.9.2005 dokončila Hayabusa perfektný približovací manéver a zastavila sa vo vzdialenosti 20 km od Itokawy. Sonda tým úspešne demonštrovala funkciu optickej hybridnej navigácie OHN a splnila jeden z hlavných cieľov misie. Od tohoto okamžiku sa rozbehla séria vedeckých pozorovaní, predovšetkým globálne mapovanie asteroidu. Vrámci prípravy na zostup k povrchu a kvôli zostaveniu schémy gravitačného poľa bol vytvorený trojrozmerný počítačový model tvaru planétky.

Koncom septembra opustila sonda stanovište vo vzdialenosti 20 km od asteroidu a začala sa znovu približovať. 30.9.2005 dosiahla vzdialenosť 6.8 km, tzv. domovskú pozíciu, a zahájila tým novú fázu letu. Toho istého dňa sa zážihom malých motorov RCS výška opät nepatrne zväčšila a v takto dosiahnutej pozícii mala byť sonda udržovaná. Hayabusa dostala za úlohu zdokumentovať mj. oblasti vo vyšších zemepisných šírkach (okolo pólov planétky) a previesť inspekciu miest predpokladaného dosadnutiu stanice. Všetky vedecké prístroje zatiaľ pracovali podľa očakávania.

Ako už bolo oznámené skôr, 31.7.2005 došlo k chybe na jednom gyroskope (osa X). Od tohoto okamžiku pokračovala sonda v lete stabilizovaná len dvoma zotrvačníkmi. Dňa 3.10.2005 prestal fungovať druhý gyroskop (osa Y). K poruche došlo o 23:08 JST, v dobe, keď Hayabusa nebola v dosahu japonskej sledovacej stanice a pracovala v autonómnom móde. Situáciu bez problémov zvládol systém orientačných motorov RCS a pozorovanie asteroidu nebolo prerušené.

Let naďalej pokračoval s jedným fungujúcim zotrvačníkom podporovaným dvojicou motorov RCS. Gyroskop v ose Z zatiaľ nevykazoval žiadne stopy abnormálnej funkcie. Pokračovalo viacmenej zhromažďovanie dát popisujúcich vzniknutú situáciu a na základe ich rozboru mal byť upravený ďalší vedecký pozorovací plán. Snahou bolo optimalizovať program tak, aby udržovanie presnej orientácie vyžadovalo čo najmenej paliva pre orientačné motorčeky.

Plánovaný ďalší priebeh letu

Sonda neprejde na obežnú dráhu, ale bude sa pohybovať v tesnej blízkosti s pohybom planétky. Najskôr bude nutné previesť prieskum povrchu zo vzdialenosti asi 20 km (tzv. “domovská pozícia”). Táto fáza má trvať asi tri mesiace a sonda sa bude nachádzať na spojnici medzi Zemou a asteroidom nad ožiarenou stranou planétky. Táto etapa sa nazýva globálna mapovacia fáza 1 a snímky pri nej budú získavané pod malým uhlom max. 25°. V druhej globálnej mapovacej fázi, ktorá má trvať asi jeden týždeň, sa sonda presunie nad terminátor a bude snímať povrch asteroidu pod vysokými uhlami.

Po zmapovaní povrchu asteroidu sa sonda vráti do domovskej pozície a potom sa začne približovať k planétke a vykoná sériu troch odberov vzoriek z rôznych miest. Pri tom musí byť intenzívne využívaný palubný autonómny navigačný systém, pretože meškanie rádiových signálov zo Zeme okolo 10 min znemožňuje diaľkové ovládanie manévrov. Z výšky asi 100 m majú byť zhodené terčíky TM (Target Marker), ktoré majú odrážať svetlo z reflektoru sondy a tým pomocou navádzacieho systému v bezpečnom priblížení k povrchu. Približovanie bude riadené ďalej na základe údajov z LIDARu, LRF a FBS. Pred konečným priblížením sa vypnú manévrovacie motorky, aby nedošlo ku kontaminácii odobraných vzoriek splodinami raketového horenia. Na povrch asteroidu bude vysadené púzdro Minerva. Okamžite po odbere sa sonda vzdiali na 100 m od asteroidu a počká na ďalšie povely zo Zeme. Vzorky materiálu asteroidu s hmotnosťou asi 1 g sa zhromaždia v návratovom púzdre. Všetky tieto operácie musia byť spoľahlivo vykonané v prostredí, kde panuje prakticky nulová gravitácie (asi 1 miliontina zemskej gravitácie).

Po niekoľkých mesiacoch v blízkosti asteroidu zapne Hayabusa motory a nastúpi na cestu spät k Zemi. Tesne pred príletom v júni 2007 vo vzdialenosti 300000 až 400000 km (tj. asi vo vzdialenosti Mesiaca) sa oddelí pristávacie púzdro, ktoré vstúpi po balistickej trajektórii do atmosféry. Maximálne preťaženie behom zostupu má dosiahnuť 25 G a tepelné namáhanie má byť asi 30x väčšie, ako akému boli vystavené kabíny Apollo pri návrate z Mesiaca. Púzdro pristane na padáku v Austrálii naďaleko Woomery.

Experimenty a výsledky

Kamera AMICA (Asteroid Multi-band Imaging Camera)

Zariadenie s hmotnosťou 5.74 kg a priemernej elektrickej spotrebe 16.3 W je určené k získavaniu vedeckých snímkov a tiež pre účely navigácie. Systém AMICA pozostáva z refraktoru, karuselu s filtrami, CCD zariadením a príslušnej elektroniky. Zostava je namontovaná v rohu podstavy obrátenej k asteroidu neďaleko trychtýra pre odber vzoriek a má rozmery 120x135x180 mm. Zorné pole kamery je 5.7×5.7°, čo umožňuje získať snímok zachycujúci štvorec so stranou 1 km zo vzdialenosti 10 km.

Vlastná kamera má hmotnosť 1.74 kg a príkon 6.8 W. Optický systém predstavuje refraktor s piatimi šošovkami. Ohnisková dĺžka je 120 mm, efektívny priemer šošovky 15 mm a svetelnosť f/8.0. Na konci teleskopu je namontovaný otočný zásobník s ôsmimi polohami. V siedmich sektoroch sú filtre pre rôzne vlnové dĺžky, ôsmy je obsadený predsádkovou šošovkou, ktorá má byť využitá pre získavanie detailných snímkov behom odberu vzoriek. Po priechode filtrami a optikou je snímok spracovaný v zariadení na báze CCD s rozmerom 1024×1000 obrazových elementov. Doba expozície sa môže meniť od 5.5 ms do 134 s. Na okraji prvku CCD sú inštalované štyri polarizátory s rozmermi 200×200 pixelov.

Príslušná elektronika s príkonom 9.5 W obsahuje počítač pre spracovanie a kompresiu snímkov. Kamera AMICA je pevne inštalovaná na telese sondy a nemôže byť samostatne zamerovaná. Normálne sa nachádza na Slnkom neosvietenej strane sondy.

Článok je uverejnený s láskavým zvolením p. Antonína Havlíčka. Preložila: Hana Kapolková