Ještě než se začtete do dnešního článku, dovolte mi malou omluvu. Od vydání minulého dílu tohoto nepravidelného seriálu uplynulo téměř přesně čtvrt roku. Ačkoliv se seriál Pohled pod kůži skládá vlastně jen z překladů originálních článků na webu spaceflight101.com, není to zrovna snadné psaní a na vytvoření podobně velkého článku bohužel nebyl čas – nebudu zapírat, svou roli v tom kromě tradičního pracovního vytížení hrálo i hokejové a fotbalové mistrovství. Ale dost už bylo slov na úvod, pojďme zakončit minisérii čtyř článků, které pojednávají o evropsko-ruském programu ExoMars 2016.

Na přistávacím pouzdru EDM (zvaném též Schiaparelli) najdeme hned několik senzorů a malých vědeckých přístrojů, které se dělí do dvou základních skupin. První z nich přijde ke slovu pouze během přistávací fáze (ty se označují jako EDM Entry and Descent Science Package), druhá skupina (EDM Surface Payload) bude fungovat až po dosednutí.

Vědecké vybavení landeru je pouze malé, což odpovídá úkolu celé mise. EDM nepřistává na Marsu kvůli sběru vědeckých dat, jeho úkolem je nasbírat zkušenosti s přistáváním na Marsu. Sběr údajů z přistávací fáze je proto nejdůležitějším úkolem celého modulu. Měření na povrchu jsou už jen bonbónkem navíc. Ano, údaje z drobné meteostanice, budou zajímavá, ale mnohem cennější bude třeba záznam ze sestupové kamery. Ostatně EDM bude čerpat energii z baterií, které se nedají dobít, což omezuje životnost Schiaparelli na zhruba 4 dny.

Původní plány ale tak skoupé nebyly. Modul EDM měl podle dřívějších návrhů nést komplexnější sadu přístrojů a napájen měl být radioizotopovým generátorem, který by umožnil minimálně roční provoz. Ovšem po kotrmelcích v celém programu došlo v roce 2009 k překopání plánů a zrušení přístrojové sekce označované Humboldt.

DREAMS (Dust Characterization, Risk Assessment, and Environment Analyzer on the Martian Surface)
Jde o balíček povrchových senzorů, které budou měřit rychlost a směr větru (MetWind), atmosférický tlak (DREAMS-P), teplotu (MarsTemp), vlhkost (DREAMS-H), průhlednost atmosféry (SIS- Solar Irradiance Sensor) a elektrické pole v atmosféře (MicroARES). Hlavním úkolem tohoto přístroje je prozkoumat podmínky v přistávací oblasti v době vrcholného období prachových bouří.

Množství prachu v atmosféře bude měřit Solar Irradiance Sensor a jeho data jednou pomohou při plánování pilotované posádky. Ještě než pošleme člověka na Mars, musíme vědět, jak to na povrchu vypadá v sezóně prachových bouří. MicroARES zase přijde ke slovu při sledování elektrostatických výbojů, nábojů a šumu, které budou mít původ v prachových zrnech. Tyto nežádoucí efekty by pochopitelně v příštích letech mohly komplikovat komunikaci lidské posádky.

DREAM bude prvním přístrojem v historii, který změří elektrické pole na povrchu Marsu. Tato data společně s údaji o množství atmosférického prachu a směru větru pomohou prozkoumat fenomén, při kterém elektrické síly zvednou prach vzhůru a podílí se na vzniku prachových bouří. Postupné „nabíjení“ prachových zrnek prozkoumá primárně MicroARES, ale ke slovu přijde i měřič vlhkosti DREAMS-H.

Podle některých teorií existuje na Marsu globální atmosférický koloběh, který propojuje povrch planety s ionosférou. Nabíjení drobných částic pak vzniká při interakci letícího prachu. Tento náboj může mít vliv také na různé chemické procesy a díky balíčku senzor DREAMS budeme moci všechno detailněji prozkoumat a možná objevíme i nějaké neznámé mechanismy spojené s tímto procesem.

Za senzory DREAMS-P (tlak) a DREAMS-H (vlhkost) stojí Finský meteorologický institut. Senzory samotné využívají již dříve existujícího návrhu, ale kontrolér těchto senzorů zodpovědný za zpracování dat byl vylepšen hlavně ve směru radiační ochrany. Na landeru najdeme dva tlakové senzory a jeden senzor vlhkostní, přičemž každý z nich obsahuje osm kanálů pro měření vlhkosti/tlaku. Každý senzor navíc obsahuje referenční kanál pro měření teploty a konstantní referenční kapacitory pro kalibraci. Odčítání hodnot je založeno na určení frekvence RC oscilátoru daného kanálu, přičemž řídící jednotka bude vyhodnocovat údaje z jednotlivých kanálů a blokové pulsy. DREAMS-P je připojen k tyčce, která vynáší senzory na hlavní elektronický box přístroje DREAMS.

Senzory Met Wind (vítr), SIS (průhlednost), MarsTem (teplota) a DREAMS-H (vlhkost) jsou uloženy na nosníku MetMast a jsou vystaveny účinkům marsovského prostředí. Přístroj MetWind je tepelný (hot film) anemometr schopný vytvářet 2D měření větrů, což znamená, že určí jejich rychlost a směr. Dokáže měřit rychlost v rozmezí 0,3 – 30 m/s s přesností ± 1 m/s a směr větru určí s přesností ± 10°.

SIS, tedy Solar Irradiance Sensor se skládá z optické hlavy a zpracovávací elektroniky. Optická jednotka je umístěna na vrcholu nosníku MetMast a míří vzhůru k obloze. Optická hlava se skládá z osekaného čtyřstěnu (truncated tetrahedron), jehož stěny svírají úhel 60°, aby se omezilo množství prachu, které se usadí na optickém senzoru. Každá boční stěna ukrývá dvojici detektorů s různými optickými filtry, které jsou citlivé na vlnových délkách 315 – 400 a 700 – 1 000 nanometrů pro blízkou infračervenou oblast. Základním prvkem detektoru jsou fotodiody a kolimátory, které se používají pro přesné zamíření oblasti výhledu jednotlivých detektorů. Nad kolimátory se na UV kanálu nachází filtr UG11 a průhledné teflonové okénko na kanálu NIR.

Na stěně optické hlavy, která míří vzhůru, najdeme křemíkový detektor, který monitoruje celkové osvětlení okolí na širokém spektru 200 – 1 100 nanometrů. Nad tímto křemíkovým detektorem najdeme ještě stínítko, které zabraňuje zkreslení výsledků měření přímým svitem ze slunce, jehož poloha na obloze by mohla zkreslovat výsledky.

Tento návrh optického zařízení umožní, aby jedna dvojice detektorů měřila přímé sluneční světlo a rozptýlené paprsky, přičemž zbylé tři páry zachytí jen světlo rozptýlené. Díky tomu bude možné výsledky jednoznačně rozlišit. Přímo pod detektory je před-zesilovací elektronika, která bude dodávat signály do elektrické jednotky. Čtyři tištěné obvody přímo na optické hlavě poskytnou řízení zásobování energie, ale i datové multiplexování a ukládání. Platinový resistor je určený k měření teploty optické hlavy a slepá fotodioda funguje jako referenční prvek.

Elektronika senzoru SIS je založena na architektuře Field Programmable Gate Array, která zodpovídá za pokyny k zahájení měřících cyklů a přijímá data ze senzorů. Ještě než se naměřená data uloží do paměti přístroje DREAMS, nebo přímo do paměti modulu EDM, musí být převedena z analogového formátu na digitální.

Senzor MarsTem najdeme také na nosníku MetMast a jeho úkolem je měřit teplotu atmosféry v oblasti u povrchu. Přístroj se skládá z platinového odporového teploměru, jehož citlivá část má průměr jen 0,05 milimetru. Drát samotný má na délku 70 centimetrů a vyznačuje se nízkým reakčním časem. Systém je schopen měřit teplotu s přesností 0,04K, přičemž se počítá s přesností až 0,01K. Teplotní senzory jsou dva, přičemž jeden je více ukrytý, aby bylo možné změřit podíl slunečního záření na ohřívání povrchu.

Tento štít je určený k omezení tepelné výměny způsobené přímým, nebo odraženým slunečním zářením a je tvořen plochými hliníkovými disky o tloušťce půl milimetru a průměru 34 milimetrů. Tyto disky jsou uloženy nad sebou tak, aby mezi nimi bylo 0,25 milimetru volného prostoru – disky samotné jsou připojeny k titanové nosné struktuře.

Senzor MicroARES měřící elektrické pole tvoří anténa trčící vzhůru z konstrukce landeru a elektronika zodpovědná za zpracování dat a zásobování energií. Tato elektronika je uložená v teplé části přistávacího modulu (viz náš minulý článek). 27centimetrová kulovitá anténa se sama přizpůsobuje místnímu atmosférickému potenciálu, který dokáže měřit vůči potenciál uzemněného modulu. Přístroj dokáže měřit potenciál pole na frekvenci 2 kHz v rozsahu 10 mV/m až 10kV/m.

Jelikož má přistávací modul jen omezené množství energie, nebude DREAMS pracovat nonstop. Specialisté již naplánovali 31 pozorovacích oken s celkovou dobou měření 6 hodin / sol (marsovský den). Během čtyř dní provozu by tak měl přístroj spotřebovat zhruba 200 Wh. Jednotlivá okna trvají 5 – 60 minut, přičemž se počítá se třemi dlouhými okny (40 – 60 minut) během úsvitu, soumraku a odpoledne. Je to především kvůli měření změn teplot, přičemž odpolední okno nabídne pravděpodobně nejlepší podmínky pro měření jevů, které zvedají prachové částice z povrchu.

INRRI (Instrument for Landing-Roving Laser Retroreflector)
„Já jsem malej, ale šikovnej,“ to není jen hláška čertíka z pohádky Princezna ze mlejna, ale mohlo by to klidně být heslo tohoto malého přístroje. Jako jediný bude v provozu i po vybití baterií, bude fungovat možná i desítky let. Ptáte se proč? INRRI je totiž úplně pasivní, ke svému provozu nepotřebuje žádnou elektrickou energii. Je to retroreflektor, který má otestovat možnosti laserových odražečů na povrchu Marsu. Jedná se o první pasivní laserový reflektor, který se dostane na povrch Marsu, ba dokonce i první, který bude použit dál, než u Měsíce.

INRRI je koutový odražeč (Corner-Cube Retroreflector) o váze pouhých 25 gramů s rozměry 5,5 × 2 centimetry. K přesnému určení své oběžné dráhy jej budou moci využívat všechny sondy na oběžné dráze, které budou disponovat např. laserovým výškoměrem. Odražeč bude moci v budoucnu posloužit k rozvoji povrchové geodézie, ale i k měření obecné relativity. Samotný pasivní přístroj má hliníkové tělo s osmi koutovými odražeči, které jsou připojené pomocí silikonu.

Tím, že na lander nebo rover umístíme retroreflektor, vytvoříme přesný georeferenční bod, což se bude hodit třeba při budoucí misi, která odebere vzorky z Marsu a dopraví je na Zemi. Vytvoření katalogu těchto referenčních bodů mají ve svém dlouhodobém plánu jak ESA, tak i NASA. Samotný INRRI je nezávislý na použité vlnové délce a kromě jiného pomůže otestovat základní principy laserové komunikace mezi povrchem Marsu a družicí na oběžné dráze.

DECA – Descent Camera
Až někdy uvidíme fotky z modulu Schiaparelli, budeme za ně vděčit této kameře, která je jediným klasickým zobrazovacím přístrojem na palubě. Jejím úkolem je pořídit několik snímků ve vysokém rozlišení během sestupu atmosférou. Samotný přístroj DECA, který letí k Marsu je náhradním exemplářem, který zbyl z evropské mise Herschel.

DECA se aktivuje po odhození tepelného štítu a zaznamená sestup přistávacího modulu do oblasti Meridani Planum. Snímky poslouží jednak k vytvoření přehledu o rozložení prachu v atmosféře, ale také díky nim vznikne trojrozměrný model přistávací oblasti. DECA má rozměry 9 × 9 × 9 centimetrů a váží 600 gramů. Najdeme v ní senzor CMOS, který poskytne černobílé snímky. Optika má ohniskovou vzdálenost 6,65 milimetru a šířka pohledu je 60°. Kamera má vytvořit 15 snímků s intervalem 1,5 sekundy. Všechny snímky se uloží do palubní paměti a odešlou se až po přistání. Přenos během sestupu by nemusel být stabilní a data by se mohla ztratit.

AMELIA (Atmospheric Mars Entry and Landing Investigation and Analysis)
Tento přístroj bude používat data z inženýrských senzorů na modulu EDM a z doplňujících informací vyčte údaje o hustotě atmosféry, její teplotě, tlaku a větru. Použijí se údaje z akcelerometrů, gyroskopů, radarového výškoměru, ale i z komunikačního zařízení v pásmu UHF, teplotních senzorů v tepelném štítu, tlakových senzorů, obrázků ze sestupové kamery, nebo senzorů sledující chování padáku. AMELIA bude zužitkovávat i data o poloze modulu v plánované přistávací oblasti, aerodynamické chování a mnoho dalších parametrů.

Právě tento přístroj pomůže vytvořit kompletní rekonstrukci podmínek při průchodu EDM atmosférou. AMELIA nám prozradí, jaké podmínky byly v atmosféře, čímž se zlepší naše modely vzdušného obalu planety, které jsou nutné pro budoucí přistání na povrchu Marsu. Cílem je vytvořit mapu vertikálních profilů atmosférického tlaku od výšky 160 kilometrů k povrchu. Do dnešní doby má lidstvo k dispozici pouze šest podobných vertikálních profilů. EDM bude první sondou, která poskytne tyto údaje z doby, kdy probíhají prachové bouře. AMELIA by měla vytvořit také profily větrných proudů, což se bude hodit při studování pohybu prachových částic.

COMARS+ (Combined Aerothermal and Radiometer Sensors Instrument Package)
Úkolem tohoto přístroje je měření aerotermálních parametrů na vnější části zadního ochranného pouzdra, ve kterém je lander uložen, během vstupu do atmosféry a průchodu skrz ni. Sběr dat o vnějším prostředí je důležitý pro pochopení jak samotného technologického návrhu landeru, tak i pro prozkoumání fyziky atmosféry Marsu.

Při vstupu do atmosféry bude zadní štít zažívat výrazně menší ohřev prouděním, než přední část štítu. Ale tyto podmínky se obtížně simulují, takže naše existující modely pracují s poměrně velkými odchylkami a tedy i nepřesnostmi. Zadní část je navíc ohřívána sáláním horkých uhlíkových spalin za rázovou vlnou. Na některých místech zadního štítu se očekává, že bude zářivý tepelný tok mnohem vyšší, než konvekční ohřev, ovšem vytvoření modelů zářivého tepelného toku nad povrchem zadního štítu je ještě složitější, než simulování ohřevu prouděním.

COMARS+ byl na modul EDM umístěn právě za účelem lepšího pochopení těchto procesů. Přesněji řečeno jde o demonstrační misi, která má určit další směr při nelehkém měření aerotermálních a zářivých zátěží na různých místech zadního štítu. Samotný přístroj se skládá ze tří kombinovaných senzorů, které jsou rozmístěné v jedné linii na zadním štítu, jednoho širokopásmového radiometru, který leží blízko místa, kde zadní štít přechází do tepelného štítu. Uvnitř modulu najdeme elektronický box, který se stará o zásobování senzorů energií a o sběr naměřených údajů. Celý COMARS+ váží 1,73 kg a k provozu potřebuje 4,5 W.

Každý ze senzorů měří statický tlak, teplotu povrchu zadního štítu, celkový tepelný tok a zářivý tepelný tok. Každý senzor vypadá jako zástrčka o průměru 22 milimetrů a délce 43 milimetrů. Senzory ze zadního štítu nevyčnívají, takže je celý povrch hladký. O měření tlaku se starají tlakové senzoru typu Pirani, celkový tepelný tok měří standardní mikrosenzory tepelného roku, které zároveň dodávají i údaje o teplotě. Zářivý tepelný tok na dvou odlišných spektrálních pásmech měří dvojice senzorů zvaných ICOTOM. Jde o úzkopásmové radiometry, které poskytla francouzská agentura CNES a jsou umístěny na horních dvou senzorech COMARS. O dodávku širokopásmového radiometru se postarala německá agentura DLR a jeho úkolem je měřit infračervené záření v širokém spektru. Elektronika přístroje COMARS+ má za úkol zesilovat signály a provádět multiplexing 23 senzorů, 8 telemetrických signálů a tří analogových přijímacích kanálů.

Náš čtyřdílný miniseriál o misi ExoMars 2016 tímto článkem končí. V minulých dílech jsme Vám představili konstrukci sondy TGO, její vědecké přístroje, konstrukci modulu EDM a nyní známe i jeho vědecké přístroje. Stejně jako vždy chci poznamenat, že ačkoliv jsme se snažil všechny technické výrazy překládat pokud možno co nejpřesněji (za hojného využívání internetových vyhledávačů), mohlo se stát, že jsem některou pasáž přeložil špatně. Budu proto jako vždy rád za zpětnou vazbu v komentářích, abych daný terminus technicus nazval správně.

To, že dnešní článek uzavírá miniseriál o technických aspektech mise ExoMars 2016 ale neznamená, že by končil i náš seriál Pohled pod kůži. Určitě bychom v něm chtěli pokračovat a představit Vám v něm konstrukci různých zajímavých vědeckých misí. Nejbližším projektem, který bychom rádi takto zpracovali je americká sonda OSIRIS-REx.

Zdroje informací:
http://spaceflight101.com/

Zdroje obrázků:
http://spaceflight101.com/…EDM_installation_on_top_of_TGO_20151125_1_1280.jpg
http://spaceflight101.com/…/sites/79/2016/03/Schiaparelli_DREAMS_instruments.jpg
http://spaceflight101.com/exomars/wp-content/uploads/sites/79/2016/03/DREAMS1.jpg
http://spaceflight101.com/exomars/wp-content/uploads/sites/79/2016/03/DREAMS2.jpg
http://spaceflight101.com/…//ExoMars2016_EDM_DREAMS_MetMast.jpg
http://spaceflight101.com/exomars/wp-content/uploads/sites/79/2016/03/DREAMS3.jpg
http://spaceflight101.com/exomars/wp-content/uploads/sites/79/2016/03/DREAMS4.jpg
http://spaceflight101.com/exomars/wp-content/uploads/sites/79/2016/03/DREAMS5.jpg
http://spaceflight101.com/exomars/…/ExoMars2016_EDM_DREAMS_MicroARES_FM_2.jpg
http://spaceflight101.com/exomars…/ExoMars2016_Schiaparelli_INRRI.jpg
http://spaceflight101.com/exomars/…/sp-vmc-hp-im02-1075×605.jpg
http://spaceflight101.com/exomars/wp-content/uploads/sites/79/2016/03/EDM30.jpg
http://spaceflight101.com/exomars/wp-content/uploads/sites/79/2016/03/EDM31.jpeg
http://spaceflight101.com/exomars/wp-content/uploads/sites/79/2016/03/comars-1-de.png
http://spaceflight101.com/exomars/wp-content/uploads/sites/79/2016/03/comars-2-en.png