V tomto článku se vrátíme k dalšímu ohlédnutí, které publikovala Emily Lakdawalla na blogu The Planetary Society. Tentokrát jde o velmi zajímavý pohled dovnitř schvalovacího procesu součástí připravovaného vozítka, které má být vysláno k Marsu v roce 2020. Emily je totiž tentokrát více vtažena do vývoje barevných kamer tohoto roveru, protože je v širším týmu vývoje kamer jako zástupce médií a propagace ve vzdělávání. Mastcam je vám jistě známa jako přístroj z vozítka Curiosity, kde plní roli nejdůležitější barevné kamery vozítka, resp. dvou – levé a pravé na stěžni, každé s jinou, pevnou ohniskovou vzdáleností. A nejzajímavější na následujícím příspěvku je právě to, že Z v označení chystaných kamer jasně naznačuje pojem „zoom“, tedy proměnnou ohniskovou vzdálenost. Tím by se podařilo poslat na povrch Marsu to, co se na palubu Curiosity nakonec dostat nepodařilo.
Vzpomínka na podrobný článek o Mastcam sahá ještě do dob, kdy neexistoval blog o kosmonautice v dnešní podobě a příspěvek se tehdy vyskytl na diskuzním fóru. Pojednávalo se tam tehdy především o tom, že kamery mají pevnou ohniskovou vzdálenost 34 a 100 mm a pokud vás zajímají technické podrobnosti, určitě si článek znovu proklikněte. Pozoruhodné tehdy bylo, že tým nakonec zvolil kamery s pevným ohniskem, přestože od počátku byly navrhovány s proměnným ohniskem (zoom). Jenže návrh tehdy začaly brzdit finanční problémy, a tak z Malin Space Science Systems (MSSS) dodali v roce 2009 dvě kamery s pevným ohniskem a možností ostření od dvou metrů do nekonečna. Poté, v roce 2010 došlo k odložení mise o dva roky a díky zapojení se režiséra Jamese Camerona mohl tým vyvinout zoomovací kamery. Měl na to ale jen zmíněné dva roky. A právě časový pres zřejmě vedl k tomu, že navržené kamery trpěly horší kvalitou ostrosti záběrů a dokonce se občas zasekával i mechanismus ostření. A tak byly zvoleny kamery tehdy už zabudované ve vozítku. Levá byla napevno nastavena na minimální ohniskovou vzdálenost (tedy oněch 34 mm, tzv. Mastcam Left) a pravá na maximální (Mastcam Right, 100 mm).
Nyní jsme tedy nějakých pět roků před plánovaným startem vozítka, které bude navrženo s využitím dobrých zkušeností z Curiosity. A proto již s předstihem probíhá příprava technického i vědeckého vybavení. Uplynulý rok byl věnován rozpracování prvotních návrhů. V případě MastCam-Z to například znamenalo seriál rozhovorů, plánování, setkávání, mailování, telekonferencí, navrhování přístroje do nejmenších detailů a opět diskuzí nad návrhem. A letos, na konci října 2015 se konalo důležité setkání, na kterém byly posuzovány všechny aspekty návrhů různých týmů. Experti zde posuzovali nejen technický návrh samotný, ale také jeho proveditelnost v daném časovém horizontu a to, zda na něj bude dostatek financí. Pro zajímavost uveďme, že šlo o setkání asi 50 lidí z řad JPL (Laboratoř tryskových pohonů), zastoupené vědci, inženýry i vedoucími pracovníky, ale také zde byli experti z různých nezávislých organizací a firem. A pochopitelně nechyběli zástupci týmu Mastcam-Z.
Když se podíváme na obrázky modelů připravované kamery, neunikne nám její podobnost s kamerami Mastcam z vozítka Curiosity. Není divu, když se kamery osvědčily a pracují s úspěchem již tři roky na Marsu. Proto bylo hlavním mottem týmu kolem Mastcam-Z „heritage“ (odkaz, tradice, dědictví). A skutečně, řada součástí připravovaných kamer je téměř identická s těmi, které nyní pracují na Marsu. Ovšem, kdybychom se drželi odkazu zoomovacích kamer připravovaných pro Curiosity, tak by to pro tým Mastcam-Z nebyl dobrý odkaz.
Curiosity měla totiž nosit kamery s velkým rozsahem ohnisek 9:1. Zde asi znejistí řada fotografů a řekne si, zda se návrháři nehnali za nereálným požadavkem. Kvalitní objektivy s proměnným ohniskem nezřídka končí na poměru 3:1 a už koupě zoomu 5:1, neřkuli více, může budit obavy z kompromisů, které takový návrh někde vyvolá. Jak již víme, nakonec byl z úsporných důvodů tento projekt pozastaven a vozítko bylo osazeno kamerami s pevným ohniskem, což odbouralo celou řadu problémů, které zoomy přináší. Koneckonců kamera s ohniskem 100 mm poskytuje i tak třikrát ostřejší obrázky, než kterákoli předtím dopravená kamera na povrch Marsu (a splňuje vlastně i rozumný poměr zoomu 3:1). Pozoruhodné však je, že tyto úžasné kamery původně neměly mít ani zaostřovací mechanismus. Nakonec se však povedlo prosadit použití mechanismu z kamery MAHLI, kterou najdeme na konci robotické paže. Širokoúhlá kamera by nezaostřila vzdálené objekty, ale ukazovala by ostře okolí vozítka a teleobjektiv druhé kamery by zase zaostřil na nekonečno, ale neviděl by ostře okolí roveru. Tak omezená verze kamer tedy nakonec neletěla a to je pro nás, fanoušky kosmonautiky, a hlavně pro vědce, jen dobře.
Připravovaná kamera Mastcam-Z tak pobrala řadu výhod kamer Curiosity. Kupříkladu hlava kamer s čipem bude totožná. Pouze filtry nebudou mít kruhový, ale obdélníkový tvar. Elektronika kamer, zabudovaná v těle robota, bude téměř stejná, pochopitelně s drobným vylepšením v podobě lepšího procesoru, který již letěl na jiných misích a je například součástí kamer OSIRIS-REx. (Skepticky uvažující čtenáře zkusme přesvědčit argumentem, že kosmické technologie sice značně zaostávají za současnou moderní elektronikou, ale že současný iPhone by také nemusel vydržet start a let k Marsu a pobyt na jeho povrchu, protože by byl atakován kosmickým zářením, a nemusel by vydržet fotit na Marsu tři roky, i kdyby byl perfektně v teple a dostával energii z externích baterií).
Podobný zůstane i barevný terčík, sloužící ke kalibraci kamer. Dojde jen k nepatrným úpravám, ovšem pozoruhodné je, že na nich se bude přímo podílet The Planetary Society (zatím se máme nechat překvapit, jak přesně). Největších změn tak dozná zomovací a zaostřovací mechanismus, což není žádné překvapení. Ale jak víme, kvalita snímků původních zoomovacích kamer pro Curiosity byla nižší, než u kamer s pevným ohniskem. Jak toto obejít a přesvědčit investora, vědce a inženýry, že právě tento návrh je vhodný?
První krok byl inspirovat se a poučit se z vývoje zoomovacích kamer Curiosty. Velice krátký časový rozvrh byl určitě jednou z hlavních příčin neúspěchu. Nebyl prostě čas postavit a pečlivě vyzkoušet prototyp, než by bylo přistoupeno ke stavbě letových exemplářů. Inženýři rovněž poukázali na příliš velký rozsah ohnisek 9:1, který vyžadoval tři skupiny pohyblivých skupin čoček. To vedlo k velmi malým tolerancím polohy zaostření. A tak také v reálných testech kamery skutečně vykazovaly horší výsledky, než bylo vyžadováno. Kromě toho tu byl problém mimo zoomovací mechanismus. Některé z malých motorků, které ovládaly zoom a filtrové kolo, vykazovaly během testů občasné výpadky.
Tým připravující Mastcam-Z tyto problémy představil odborníkům, kteří měli návrh jejich kamery schválit a poté pochopitelně představil své návrhy, jak u kamery vozítka pro rok 2020 těmto problémům čelit. V první řadě navrhli zahrnout do časového plánu stavbu zkušebního modelu (engineering qualification model, EQM) jedné kamery. Ten bude následně podroben náročným testům, než bude přistoupeno ke stavbě letových exemplářů. Dále navrhli jednodušší optický design, sestávající jen ze dvou skupin pohybujících se čoček. To snížilo poměr zoomu na 3:1, ovšem nevyžaduje zdaleka tak přesné nastavení pro přesné zaostření, a navíc přesně pokryje rozsah ohnisek, jako u současného roveru Curiosity. Kromě toho navrhli zabudovat ještě přídavné čočky do ostřícího mechanismu, které budou nastavitelné a umožní přesně doladit zaostření. A nakonec motorky budou zakoupeny ve více kusech a včas, aby mohly být podrobeny dlouhodobým testům, než budou použity ve finální verzi kamer.
Poté následovalo slovo expertů na zmíněném setkání, kteří podrobili návrh důkladnému zkoumání. Otázky směřovaly především k motorkům, návrhu EQM (zkušebního modelu), časovému plánu jeho stavby a peněz k tomu potřebných. A jak víme, kamera jejich náročnými dotazy prošla. Tým má nyní zhruba rok na to, aby připravil svůj návrh na další krok, kdy se bude konat setkání posuzující součásti v závěrečné, kritické fázi (critical design review), po níž následuje samotná příprava a stavba letového hardware. Toto setkání je v plánu příští rok na podzim.
Další plány jsou, že do srpna 2017 má být hotov EQM (zkušební kamera) a poté má následovat její zhruba roční intenzivní testování, zda optický návrh a motorky splňují nejpřísnější požadavky kladené na tuto kameru (ostré záběry a plynulý chod v náročných podmínkách, jaké panují na povrchu Marsu). V ideálním případě chtějí u kamery provést tisíce a tisíce testovacích snímků s různým zoomem, zaostřením a filtry. Bohužel v té době se bude psát již rok 2018 a tak na tyto testy asi nebude dost času, aby byly provedeny na požadovaný čas několika let pobytu na Marsu. Takže zhruba v té době, pokud bude alespoň zčásti prověřen optomechanický design a správná funkce kamery, začnou se stavět dva letové exempláře. Mezitím bude probíhat další testování životnosti zkušební kamery. Ale co když testování životnosti selže? Tým Mastcam-Z má v takovém případě v plánu stavbu dvou kamer identických se současnými, které již více než tři roky fungují úspěšně na povrchu Marsu. Není to plán, z kterého je tým nějak nadšený, ale zároveň věří, že nebude potřeba. Ale prostě alespoň mají nějaký záložní plán.
Jedna ze zajímavých otázek se také týkala situace, kdy selže na Marsu zoomovací mechanismus ve své parkovací poloze. Kamery budou totiž uvedeny do této stabilní polohy, chránící je před nárazy například při startu ze Země, přistání, nebo při jízdě. Kamery by dle současného návrhu nebyly poté schopny pořizovat ostré snímky. Ostatně stejně jsou na tom i současné kamery na Curiosity. Zaostření na různé vzdálenosti není možné bez pohybu zaostřovacího mechanismu uvnitř kamer. Někteří proto navrhli, aby v případě, že selže zároveň zoomovací i zaostřovací mechanismus, aby se kamera zaparkovala například někde uprostřed rozsahu ohnisek, nebo aby tým alespoň charakterizoval, jak bude kamera fungovat, když bude ostřící mechanismus ve své parkovací poloze.
Jak se Emily zmiňuje, celá konference posuzující kvalitu návrhu kamery Mastcam-Z byla velkou zkušeností a bylo zábavné sledovat, jak lidé, kteří kladli týmu ty nejzáludnější otázky zároveň pěli chválu na tuto kameru. S potěšením tak lze konstatovat, že kamera Mastcam-Z vlastně čerpá z toho nejlepšího, co bylo vyvinuto pro zoomovací kamery Curiosity a nyní je tu šance postavit reálný letový hardware těchto kamer.
Největší obavy nyní stále panují kolem motorků, neboť zkušební kamera sice může obstát po stránce optického návrhu, ale nemusí obstát po stránce mechaniky. Proto ono doporučení koupit motorky co nejdříve a pustit se do jejich testování. Zároveň bylo týmu doporučeno podívat se na plán testů životnosti, aby byl dostatečně robustní, ale zároveň ne přímo brutální. Tým teď čeká rok plný dalších diskuzí nad návrhem kamery, elektroniky, testů a kalibrace programů. A kamera Mastcam-Z tak zatím zůstává jen ve verzi počítačového návrhu. Všichni fanoušci kosmonautiky však doufají, že se na Mars brzy vydá zase o generaci lepší kamera. Proto přejme týmu hodně štěstí při výběru dodavatele motorků a příští rok se snad dovíme, že vše směřuje k návrhu skutečného testovacího exempláře.
Zdroje informací:
http://www.planetary.org/
http://www.astro.cz/
Zdroje obrázků:
http://www.planetary.org/explore/projects/mars-2020/images/mars-2020-mastcam-z.html
http://planetary.s3.amazonaws.com/assets/images/people/2015/20151104_2015-10-28-15_48_32.jpg
http://planetary.s3.amazonaws.com/assets/images/spacecraft/2015/20151103_Mastcam-34.jpg
http://planetary.s3.amazonaws.com/assets/images/society/mastcamz/20151121_Mastcam-z-heritage-from-MSL-zoom-Mastcam.png
