Za pouhé tři hodiny a několik desítek minut odstartuje z evropského kosmodromu v Kourou ve Francouzské Guyaně dlouho očekávaná meziplanetární sonda BepiColombo, která je jednou z nejambicióznějších vesmírných průzkumných misí, jaké kdy lidstvo do kosmu vyslalo. Pokud třetí díl našeho nového seriálu věnujícího se výhradně této misi čtete krátce po vydání, dozvíte se v něm, jak přesně by měl proběhnout plánovaný start na nejsilnější evropské raketě Ariane 5 a také jak budou vypadat následné operace sestavy BepiColombo v nejbližších hodinách po startu. Pokud však patříte mezi ty, kteří šli včera spát dříve a čtete tento článek až po startu, vůbec to nevadí, jelikož se kromě výše uvedeného dozvíte i veškeré podrobnosti o dlouhé cestě, která na BepiColombo čeká, o krátké cestě, kterou má již za sebou, a navíc se podíváme na několik videí.

Cesta do nitra Sluneční soustavy

Ačkoli má BepiColombo na svou dlouhou pouť odstartovat v dnešních časných ranních hodinách, jeho cesta začala už před pěti měsíci. Jednotlivé komponenty celé sestavy byly v posledních letech postupně přiváženy z různých koutů světa do Evropského vesmírného výzkumného a technologického střediska (ESTEC) v Nizozemí. Tam nejdříve samostatně a poté i společně v letové konfiguraci podstoupily vyčerpávající několikaletý maraton důkladných zkoušek. Tyto testy si zcela jistě popíšeme v jednom z budoucích dílů tohoto seriálu. Ukončení období testování a prověřování všech systémů sondy v červenci minulého roku znamenalo jediné – BepiColombo je hotov a připraven na cestu. Celá sestava byla rozložena na jednotlivé části a následovala jejich příprava na převoz na kosmodrom. A právě v nizozemském Noordwijku, kde se ESTEC nachází, naše cesta začíná.

Po závěrečné kvalifikační kontrole 8. března letošního roku dostal BepiColombo zelenou. Převoz tak komplexního zařízení přes Atlantský oceán ale není jen o jeho naložení do letadla. Každá ze čtyř hlavních částí sestavy byla uložena do přepravního kontejneru, který bychom spíše mohli označit za mobilní čistou místnost (clean room), ve kterých se kompletují vesmírné lodě, družice a průzkumné sondy. Kontejner je vybaven veškerým potřebným zařízením pro filtraci vzduchu a udržování vnitřních podmínek, jako je teplota, vlhkost nebo prašnost v přesně stanovených mezích. Nejsou to ale jen součásti sondy, které musejí být dopraveny na kosmodrom. Spolu s nimi bylo nutné přepravit mnoho pozemního vybavení, příslušenství a celou řadu specialistů s jejich osobními věcmi, kteří následujících 5 měsíců připravovali BepiColombo na start. Z ESTECU se tedy vydaly na cestu čtyři velké kontejnery se dvěma vědeckými družicemi, přeletovým modulem a slunečním štítem, a k tomu dalších téměř 60 kontejnerů onoho pozemního příslušenství a dalšího vybavení. První etapa mířila po silnici do Amsterdamu. Na místním letišti Schiphol bylo přibližně 40 kontejnerů rozděleno do čtyř etap letecké přepravy nákladním letounem An-124 Ruslan. Tato letecká přeprava trvala dva týdny a uskutečnila se na přelomu dubna a května. Zbývající třetina nákladu putovala do Francouzské Guyany po moři.

Na malou část této velké přepravní operace se můžete podívat v následujícím videu, které ukazuje přípravu a balení MPO (Mercury Planetary Observer – hlavní vědecká družice BepiColombo) a jeho odlet z Amsterdamu.

A u videí ještě na chvilku zůstaneme. Určitě si pamatujete na řadu animovaných videí s názvem Once upon a time, která pojednávala o kometární misi Rosetta a měla obrovský úspěch. Díky těmto videím personalizujícím neživé robotické průzkumníky Rosettu a Philae, se nevídaným způsobem podařilo propagovat kosmonautiku a šířit informace o této misi mezi široké masy. K naší radosti se Evropská kosmická agentura rozhodla na tento úspěch navázat a odstartovala nový animovaný seriál s názvem The Epic Adventures of BepiColombo (Epická dobrodružství BepiColombo). Už první díl napovídá, že půjde opravdu o kvalitní dílo a my jsme se rozhodli jej pro vás do budoucna překládat a publikovat titulkovaná videa v rámci tohoto seriálu. Dnes se ale podíváme pouze na krátkou upoutávku, která se týká tématu dnešního článku. Vypráví totiž o cestě třech hlavních hrdinů na kosmodrom v Kourou. Doufáme, že se vám bude nový animovaný seriál líbit a toto video vás navnadí na další díly.

A nyní se vraťme zpět na kosmodrom, kde v posledních měsících probíhaly přípravy na start. Jedním z úkonů byla instalace několikavrstvé izolační folie a pečlivé ruční přišívání izolační přikrývky, která sondu bude chránit před intenzivními teplotami v blízkosti Slunce. Běžné izolační vrstvy, které známe z mnoha sond a družic, zpravidla mívají vzhled zlatavých folií. Naproti tomu izolační pokrývka sondy MPO je zářivě bílá a je utkána z nepolymerních křemíkových vláken. Vzhledem k tomu, že tato tkanina není elektricky vodivá, reguluje hromadění elektrostatického náboje na povrchu sondy. Vodivá vlákna jsou pak do pokrývky vetkána v deseticentimetrových rozestupech. Na fotografii vpravo se můžete podívat, jak takové ruční přišívání probíhá. Panel, na kterém se na fotografii pracuje, je čelní stranou sondy MPO, která bude vždy směřovat k povrchu Merkuru. Z tohoto důvodu je na této straně umístěna většina vědeckých přístrojů včetně kamer, spektrometrů, laserového výškoměru a analyzátoru částic. Kupříkladu laserový výškoměr BELA se nachází pod velkým červeným ochranným krytem kruhového tvaru vlevo od pracovníka. Na této straně sondy také můžeme vidět čtyři fixní body, kterými bude MPO připojen k přeletovému modulu MTM a také svazek kabelů, který mezi nimi bude zajišťovat datová spojení. Na levé straně MPO na této fotografii se pak nachází radiátor sloužící k vyzařování přebytečného tepla do okolního prostoru, ke kterému ještě budou postupně přimontovány lamely umožňující směrové vyzařování tepla pryč od sondy. Díky tomu bude MPO moci obíhat nízko nad rozpáleným povrchem Merkuru. Tři oválné otvory dočasně chráněné červenými krytkami jsou sledovače hvězd, které sondě pomáhají s orientací v prostoru. A konečně vzadu vlevo se pak podél svislé hrany schovává rameno magnetometru, které již bylo opatřeno izolační pokrývkou a je zabaleno do dočasné ochranné folie.

Dalším z důležitých kroků předstartovní přípravy bylo plnění pohonných hmot pro MPO a MTM. Po něm následovalo sestavení čtyř hlavních částí sestavy do jednoho celku. K přeletovému modulu byla připojena evropská vědecká družice MPO. Na ni byl poté připevněn sluneční štít, do jehož útrob byla vložena japonská vědecká družice MMO, aby byla tímto štítem během přeletu na oběžnou dráhu Merkuru chráněna. Takto společně bude celá sestava putovat vesmírem následujících 7 let a dva měsíce. Posledním významným krokem před startem bylo uzavření do aerodynamického krytu rakety Ariane 5, ke kterému došlo teprve minulý týden.

A nyní už se konečně vrhněme na start. První fáze celé mise nazvaná Launch and Early Orbit Phase (LEOP) začne zhruba šest hodin před startem, kdy započnou předstartovní operace s raketou na rampě. Ty se skládají z aktivace sondy, kontrolních procedur a dalších předstartovních příprav. Přibližně 15 minut před startem bude od sondy odpojen napájecí kabel a BepiColombo přejde na provoz ze svých vlastních baterií. Následovat bude dokončení tankování nádrží prvního a druhého stupně Ariane 5 ECA, jejich natlakování, a přesně v 03:45:28 středoevropského letního času přijde dlouho očekávaný start. Startovní okno je okamžité. Pokud dojde k jakékoliv nestandardní situaci, start bude odložen minimálně o 24 hodin. Startovní okno pak zůstane otevřeno až do 29. listopadu. Motor prvního stupně bude zažehnut 7 sekund před startem a v okamžiku startu dojde i k zapálení pomocných motorů. Následujících 13 sekund bude raketa stoupat kolmo vzhůru, načež se začne sklánět k východu. Po 130 sekundách se oddělí dva pomocné motory na tuhá paliva P241, které při startu poskytují přibližně 90 % tahu celé rakety. Během své práce každý z nich spálí více než 200 tun paliva. Následovat bude přibližně dalších 7 minut práce motoru Vulcain na centrálním stupni rakety, během nichž bude ve 189. sekundě odhozen dvě a půl tuny vážící aerodynamický kryt. Po oddělení prvního stupně bude následovat dlouhých 17 minut práce druhého stupně ESC-A, na jejímž konci, přesně 26 minut a 47 sekund po startu, bude BepiColombo oddělen od rakety a vydá se na svou dlouhou cestu. V následujícím souhrnu se můžete podívat na přesný časový harmonogram startu.

T-11 h 23 min: Začátek odpočtu.
T-10 h 33 min: Kontrola elektrických systémů.
T-4 h 38 min: Plnění centrálního stupně EPC tekutým kyslíkem a tekutým vodíkem.
T-3 h 28 min: Plnění horního stupně ECS-A tekutým kyslíkem a tekutým vodíkem.
T-3 h 18 min: Chlazení motoru Vulcain centrálního stupně EPC.
T-1h 15 min: Kontrola telemetrie a řídicích a naváděcích systémů rakety.
T-7 min: Hlasování o povolení závěrečné fáze odpočtu.
T-4 min: Tlakování nádrží.
T-1 min: Přechod rakety na vlastní zdroj.
T-5 sec: Oddělení obslužných ramen.
T-4 sec: Převzetí řízení palubním počítačem.
T-0: Zahájení zážehové sekvence hlavního motoru Vulcain.
T+1 sec: Zážeh hlavního motoru Vulcain.
T+7,05 sec: Zážeh pomocných motorů EAP.
T+7,3 sec: Start.
T+12,3 sec: Zahájení manévru klonění.
T+17,1 sec: Zahájení manévru klopení.
T+32,1 sec: Ukončení manévru klopení.
T+2 min 21 sec: Oddělení pomocných motorů EAP.
T+3 min 9 sec: Oddělení aerodynamického krytu.
T+6 min 26 sec: Zachycení signálu pozemní stanicí Natal.
T+8 min 37 sec: Ukončení práce centrálního stupně EPC.
T+8 min 43 sec: Oddělení centrálního stupně EPC.
T+8 min 47 sec: Zážeh druhého stupně ESC-A.
T+13 min 22 sec: Zachycení signálu pozemní stanicí Ascension.
T+17 min 46 sec: Zachycení signálu pozemní stanicí Libreville.
T+21 min 59 sec: Zachycení signálu pozemní stanicí Malindi.
T+24 min 38 sec: Uvedení na cílovou dráhu.
T+26 min 47 sec: Oddělení BepiColombo od rakety.

Jakmile BepiColombo zaregistruje oddělení od rakety, automatická sekvence zahájí zapnutí stabilizačního systému RCS, zapnutí slunečního senzoru a rozvinutí dvojice solárních panelů MTM a jednoho panelu MPO. Následovat bude uvedení do pomalé autostabilizační rotace okolo osy spojující sondu se Sluncem. V okamžiku vstupu do oblasti rádiové viditelnosti pozemní stanice bude zahájeno odesílání telemetrických dat skrze nízkoziskovou anténu. Po stabilizaci sondy nad ní převezme kontrolu řídicí středisko. Po dalších několika hodinách dojde k rozevření středněziskové a vysokoziskové antény, které umožní rychlejší tok dat oběma směry. Rozevírání solárních panelů a antén bude kontrolovat trojice černobílých kontrolních kamer nazvaných M-CAM a přezdívaných „selfie cams“, které jsou umístěny na přeletovém modulu MTM. Tato počáteční fáze bude ukončena čtvrtým dnem od startu, kdy bude v případě potřeby proveden korekční manévr odstraňující případné nepřesnosti práce nosné rakety. Celou počáteční fázi LEOP si můžete prohlédnout na následující infografice. Pod ní pak najedete druhou infografiku, která výborně zobrazuje umístění kontrolních kamer M-CAM, směr jejich pohledu i očekávaný obsah jejich zorného pole.

Druhou fází mise BepiColombo následující po výše popsané fázi LEOP bude Near Earth Commissioning Phase (NEAP). Ta bude trvat přibližně tři měsíce a během ní bude sonda přecházet do plného operačního provozu. Mezi činnosti spadající do NEAP bude například spadat vyklopení ramene s magnetometrem u MPO, odjištění řízení směru tahu čtyř iontových motorů MTM nebo odjištění zámků zajišťujících MMO během startu. Dále dojde k aktivaci a kontrole stavu vědeckých přístrojů na MPO i MMO, u kterých je to možné v této spojené letové konfiguraci. Nakonec bude prověřen stav a funkčnost solárně-elektrického pohonného systému modulu MTM. Aktivace a kontrola vědeckých přístrojů, které vyžadují rozdělení letové sestavy, pak samozřejmě proběhne až v roce 2025 na oběžné dráze Merkuru.

Třetí fáze nazvaná Interplanetary Cruise Phase bude nejdelší z celého období operativní funkčnosti BepiColombo. Jak název napovídá, půjde o přeletovou fázi k Merkuru. Bude trvat necelých sedm let a nic významného by se při ní nemělo dít. V pravidelných šestiměsíčních intervalech bude docházet ke kontrolám vědeckého vybavení a jinak bude tato fáze převážně vyplněna několikaměsíčními brzdícími zážehy iontových motorů MTM a především rekordními devíti průlety okolo vnitřních planet Sluneční soustavy, které budou hlavně pro nás, jakožto amatérské pozorovatele mise, velmi atraktivní. Celkem bude proveden jeden gravitační manévr u Země, dva u Venuše a šest u Merkuru. Všechny z nich budou mít jediný úkol – zpomalit BepiColombo.

U sond putujících k vnějším planetám Sluneční soustavy jsme zpravidla zvyklí na opačný efekt gravitačních manévrů. Při cestách k Jupiteru a dále je sondy výhodné urychlovat, aby do dalekých končin dorazily dříve a za využití menšího množství paliva. Avšak při cestě k Merkuru je situace opačná, jak ostatně dobře ukazuje výše přiložené video. Představme si, že po opuštění sféry gravitačního vlivu Země se sonda nachází na oběžné dráze kolem Slunce, kde má oběžnou rychlost zhruba 30 km/s vůči naší hvězdě. Kdyby svou rychlost ještě zvýšila, začala by se od Slunce vzdalovat. Jelikož ale chceme letět k Merkuru, musíme naopak zpomalit a ke Slunci se přiblížit. Jenže tady nastává problém. Přibližování ke Slunci zjednodušeně řečeno téměř připomíná pád na jeho povrch. Představte si, že by sonda celou několikaměsíční cestu od Země k Merkuru jen padala a nabírala rychlost. Při příletu k Merkuru by pak byla její rychlost vůči planetě tak velká, že by nebylo v silách žádné sondy ji ubrzdit a vstoupit na oběžnou dráhu namísto prosvištění kolem. U vnějších planet je situace opačná. S tím, jak se sondy od Slunce vzdalují, sluneční přitažlivost je zpomaluje a jejich příletová rychlost k planetě není nijak závratná. A právě z tohoto důvodu je paradoxně energeticky mnohem snazší vyslat sondu k nesmírně vzdálenému Plutu, než vstoupit na oběžnou dráhu relativně blízkého Merkuru. Z tohoto důvodu je nutné využít celé řady gravitačních manévrů, které sondě pomohou zpomalit za využití gravitace planet, jež ji odeberou část její hybnosti.

Takové množství gravitačních manévrů klade obrovské nároky nejen na plánování, ale také na navigaci a řízení letu. Všechny průlety je nutné provést v přesně daném směru a se správnou minimální výškou nad povrchem planety. Jedině tak bude zajištěno, že i další průlet proběhne podle plánu. Kromě toho bude BepiColombo velkou část své přeletové fáze brzdit pomocí iontových motorů modulu MTM. Sonda tudíž bude konstantně měnit svou rychlost a tedy i výslednou polohu při dalším gravitačním manévru. To bude vyžadovat neustálou kontrolu polohy sondy a její správné navigace. V neposlední řadě pak mnohokrát nebude možné s BepiColombo vůbec komunikovat z důvodu častých solárních konjunkcí. Tuto situaci dobře známe u marsovských průzkumníků, se kterými bývá na několik týdnů přerušena komunikace v období, kdy se z pohledu ze Země Mars jeví za Sluncem. U Marsu tato situace nastává méně než jedenkrát do roka, kdežto u Merkuru, který se kolem Slunce pohybuje mnohem rychleji a dostává se za něj z našeho pohledu častěji, to je více než čtyřikrát za rok.

Cesta od Země k Merkuru bude trvat přesně 7 let, 1 měsíc a 15 dní. BepiColombo při ní urazí více než 9 miliard kilometrů, což je šedesátinásobek vzdálenosti Země – Slunce. Sonda se bude pohybovat vůči Slunci ve vzdálenostech od 1,2 do 0,298 au a to s maximální rychlostí dosahující 60 km/s. Od Země se BepiColombo vzdálí maximálně na 1,6 au a jednosměrná cesta radiového signálu tehdy potrvá 13 minut.

Přestože BepiColombo vstoupí na oběžnou dráhu Merkuru až v roce 2025, bylo by chybou si myslet, že nám do té doby nepřinese žádná vědecká data. V tomto ohledu budou významné především dva blízké průlety kolem Venuše v letech 2020 a 2021. Během nich bude aktivních 11 z celkových 16 vědeckých přístrojů družic MPO i MMO. Ty budou zkoumat především atmosféru planety a interakce se slunečním zářením, ale nahlédnou také do jejího nitra. Plánované oblasti výzkumu stejně jako seznam přístrojů, které budou u Venuše aktivní, si můžete prohlédnout na následující infografice.

Na podzim roku 2025 započne přibližovací fáze Mercury Approach Phase. Ta bude zahájena po ukončení posledního motorického manévru MTM, což bude asi dva měsíce před vstupem na oběžnou dráhu Merkuru. Práce přeletového modulu MTM touto fází končí a již ho nadále nebude potřeba. Proto dojde k jeho oddělení od zbytku sestavy a závěrečné přiblížení k planetě provede jen družice MPO spojená s MMO stále chráněnou slunečním štítem. Tato sestava se velmi pomalu přiblíží k Merkuru a pro zachycení na jeho oběžné dráze tedy bude zapotřebí velmi malé změny rychlosti. O brzdící zážeh se postará MPO a prvotní oběžná dráha bude mít parametry 674 km × 178 000 km. Dále bude následovat úprava oběžné dráhy za účelem dosažení požadovaných parametrů pro práci japonské MMO. Ta bude od sestavy oddělena pomocí separačního mechanismu, který družici zároveň uvede do rotace, která zajistí rovnoměrnější ohřívání a ochlazování těla družice, což bude dostatečnou ochranu před spalujícím žárem Slunce. MPO se slunečním štítem MOSIF následně provede dva zážehy. Jeden z nich lehce zvýší pericentrum oběžné dráhy, ten druhý pak naopak sníží apocentrum. Poté dojde k oddělení slunečního štítu, který na své dráze v budoucnu nebude moct ohrozit obě vědecké družice, načež MPO začne klesat na svou cílovou nízkou polární oběžnou dráhu. K tomu by mělo dojít v březnu 2026.

Tímto se dostáváme k závěru, kterým je samozřejmě hlavní vědecké fáze celé mise nazvaná Mercury Orbit Phase. Po dosažení cílové oběžné dráhy MPO dojde k aktivaci všech vědeckých přístrojů, a proběhne jejich důkladná kontrola a kalibrace. To zabere přibližně jeden měsíc. Poté bude evropská družice MPO odesílat získaná data do řídicího střediska skrze španělskou sledovací stanici Cebreros. Japonská družice MMO pak bude komunikovat s řídicím střediskem Sagamihara prostřednictvím sledovací stanice Usuda Deep Space Center v Naganu. Plánovaná délka vědecké fáze je momentálně stanovena na jeden pozemský rok s pravděpodobným prodloužením o jeden další rok.

Třetí díl našeho seriálu Návrat k poslovi bohů tímto končí a my doufáme, že vám přinesl dostatečný vhled do průběhu celého startu BepiColombo a jeho přeletové fáze k Merkuru. Na závěr nám ještě dovolte nabídnout poslední video, které výborně celou cestu BepiColombo shrnuje, a které jsme pro vás přeložili do češtiny.

Zdroje informací:
Arienspace: VA245 Launch Kit, 2018.
European Space Agency (ESA): BepiColombo Launch Media Kit. 2018.
http://sci.esa.int/
http://www.esa.int/
https://www.cosmos.esa.int/

Zdroje obrázků:
European Space Agency (ESA): BepiColombo Launch Media Kit. 2018.
http://www.esa.int/
http://www.esa.int/
http://www.esa.int/
http://www.esa.int/
http://www.esa.int/
http://www.esa.int/