Před rokem došlo na evropském teleskopu Integral k závadě, kvůli které byly naposledy použity korekční trysky na palubě. Tento teleskop na oběžné dráze Země však neukončil svůj provoz. Díky pečlivé práci pozemních týmů mohl po krátké pauze pokračovat ve svém úkolu – sledování vesmíru v pásmu gamma. Již brzy by však mohl fungovat ještě efektivněji než dříve, jelikož pozemní řídící týmy chtějí do ostrého provozu nasadit novou chytrou metodu, kterou by mohli rychle a přesně ovládat tento 18 let starý teleskop.
Zdroj: https://www.esa.int/
V létě roku 2020 si experti z německého letového řídícího týmu pomalu zvykali na nové pracovní prostředí. V té době totiž museli svůj teleskop ovládat z domovů, což byla reakce na rozvíjející se pandemii Covid-19. A aby to pozemní týmy neměly tak lehké, rozhodl se Integral, že jim jejich práci ještě zkomplikuje. Jeden den proto na zemi dorazila zpráva, že teleskop přešel do bezpečného režimu. V jeho rámci jsou vědecké přístroje deaktivovány a všechny systémy běží pouze s nejzákladnějšími funkcemi. Integral chytře nastavil své fotovoltaické panely ke Slunci, aby měl dostatek energie a pak poslal na Zemi zprávu o problému. Teleskop byl stále v bezpečném režimu, když data přijatá na Zemi ukázala, že teleskop prochází fází zatmění. Toto období temnoty je naprosto běžné, když se země dostane mezi teleskop a Slunce. Problém byl však v tom, že na dané období nebyla žádná fáze zatmění plánována.
„Integral se najednou otočil od Slunce, což byla velmi nečekaná a podivná událost. Ještě nikdy jsme nic takového neviděli,“ vzpomíná Richard Southworth, provozní manažer mise a dodává: „Brzy se ukázalo, že máme opravdu hodně velký problém. Jelikož jsme nemohli našim tryskám důvěřovat, museli jsme se z bezpečného režimu dostat co možná nejdříve, abychom mohli nad teleskopem převzít kontrolu pomocí jeho silových setrvačníků a pak zjistit, co se dá dělat dál.“
Zdroj: https://www.esa.int/
Možná některého čtenáře při čtení minulého odstavce napadla otázka, k čemu vlastně Integral potřebuje trysky, když už je na oběžné dráze. Důvodem je proces, při kterém se zbavuje přebytečné energie ve formě momentu hybnosti. Integral je během provozu zacílen na jeden bod. Sleduje kupříkladu vzdálenou černou díru několik hodin. Během této doby na něj působí vnější síly, které se s ním snaží otáčet. Jde především o tlak slunečního záření, které se opírá do osmnáctimetrových fotovoltaických panelů. Aby byla tato síla vyvážena a teleskop stále sledoval požadovaný objekt, používá Integral silové setrvačníky. Tato kola ukládají energii do své rotace a mohou tak posloužit k jemnému ovládání směru, kterým se teleskop dívá aniž by byly potřeba korekční trysky. Tato rotující kola tedy pohltí energii z tlaku slunečního záření a zajistí, že dosud nejcitlivější teleskop určený k výzkumu gamma záření zůstane přesně orientován.
Jenže nic netrvá věčně. Během pár dní se přebytečná energie nahromadí v silových setrvačnících ve formě momentu hybnosti. Je to rotační ekvivalent síly působící přímým směrem, například energie uložené při otáčení na kancelářské židli. Každé dva až tři dny dosáhnou silové setrvačníky maximální rychlosti otáčení, při které už nedokáží pohltit více hybnosti. Pozemní tým tedy v tu chvíli provede činnost označovanou jako momentum dump. Během něj se zbaví přebytečného momentu hybnosti tím, že se sníží rychlost rotace setrvačníků. Aby se zabránilo roztočení teleskopu v opačném směru během zpomalování rotace setrvačníků, prováděl Integral pomocí korekčních trysek zážeh, kterým zabraňoval tomuto otáčení.
Zdroj: https://www.esa.int/
Po mnoha dnech obav o osud mise přišli dva členové týmu s nápadem. „Nejprve jsem si nemyslel, že to bude možné. Ale ověřili jsme si to u našich kolegů přes letovou dynamiku a ukázalo se, že by tato teorie mohla fungovat. Poté, co jsme provedli simulace, jsme vše otestovali na teleskopu. A ono to opravdu fungovalo,“ říká Southworth s úlevou. Díky speciálně navržené sekvenci manévrů pozemní tým dokáže redistribuovat moment hybnosti uložený na palubě pomocí dvou různých silových setrvačníků, které se otáčí opačným směrem, což způsobí, že teleskop udělá otočku. „V tuto chvíli jsme věděli, že dokážeme řídit hromadění energie z tlaku slunečního záření a tento manévr jsme pokřtili jako Z-flip (otočka Z). Pokud je mi známo, tak tohle se ještě nikdy nepoužilo. Byl to ohromný úspěch, ale budeme moci pokračovat ve vědeckém výzkumu?“
Po dlouhých a intenzivních debatách s kolegy ve středisku vědeckých operací ESAC u Madridu přišli plánovači vědecké mise se sekvencí objektů, které by Integral mohl sledovat s využitím nového spektra pohybů. Mise se tak naštěstí vrátila zpět do vědeckého provozu, byť lehce omezeného. Postupně však dva týmy experimentálně zkoušely různé kombinace setrvačníků a otáčení teleskopu v různých úhlech. Díky pečlivé práci a koordinaci mezi řídícím a vědeckým týmem, ale i mnoha dalšími, se podařilo vrátit Integral na úroveň plné vědecké efektivity v září roku 2020.
Zdroj: https://www.esa.int/
Pro většinu kosmických teleskopů se harmonogramy pozorování plánují výrazně dopředu. Ovšem jednou za čas se přihodí něco nečekaného. Může to být třeba exploze supernovy, nebo záchyt gravitačních vln a teleskopy musí umět rychle zareagovat, aby se podívaly, co se to vlastně děje. Tohle platí především pro Integral, jelikož jevy projevující se v gamma spektru trvají pouze krátce. „V minulosti, kdy jsme měli pohonný systém, jsme museli provádět přeplánování, výpočty manévrů k zaměření nového cíle, zbavit se hybnosti a pak se připravit na novou sekvenci manévrů. Naše technika Z-flip je však bohužel mnohem pomalejší,“ přiznává Southworth. Pozemní tým však již vypracoval aktualizaci palubního softwaru, která by měla snížit význam momentu hybnosti při otáčení k hledání nového cíle.
„Jsme velice rádi, že díky této geniální metodě Z-flip může Integral bez problémů pokračovat ve sledování vysokoenergetického vesmíru,“ říká Erik Kuulkers, vědec zapojený do projektu Integral a dodává: „Už teď se těšíme na objevy, které nám umožní nový režim. Ten umožní, aby tato 18 let stará technika byla při reakci na náhlé energetické jevy v celém vesmíru ještě rychlejší, než byla v době svého startu před téměř dvěma desítkami let.“
Přeloženo z:
https://www.esa.int/
Zdroje obrázků:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/INTEGRAL_spacecraft_model.png
https://www.esa.int/…/images/2010/04/r._southworth/9528134-5-eng-GB/R._Southworth.jpg
https://www.esa.int/…/images/2001/11/integral/9208091-6-eng-GB/Integral.jpg
https://www.esa.int/…/9634366-3-eng-GB/Integral_s_imager_can_see_around_corner.jpg
https://www.esa.int/…/9135887-5-eng-GB/Artist_s_view_of_Integral_pillars.jpg
Kdyby někoho zajímalo jak přesně Z-Flip fungoval:
https://integral.esac.esa.int/image_gallery/POM_generation.php?yr=2020&mon=10&extn=png
Zmiňují 3 hlavní setrvačníky:
– oranžový (číslo 3), na který sluneční vítr nemá vliv a tedy jej Z-Flip neřeší
– šedý (číslo 4) a modrý (číslo 2), na které působí sluneční vítr velmi a přidává /ubírá jim asi 20 otáček za hodinu
Provedou Z-flip, což je, jestli tomu dobře rozumím rotace družice o 150° podél osy Z. Což odbourá dostatečné množství energie tak, že družiče může zůstat v jedné poloze 55, resp. 62 hodin.
Tak držme palce, ať setrvačníky fungují ještě dlouho a přesně.
Díky moc za doplnění!
Jak dlouho by trvalo natočení k nějakému objektu pár (desítek) stupňů od současné pozice, kde se třeba detekoval nějaký gama záblesk, jen pomocí setrvačníků?
Doplním, myslím to tak, že by příslušné setrvačníky přibrzdily / urychlili z baterií, tak aby se družice pohnula daným směrem. Asi to záleží na výkonu brzd tj. jestli je možné bez rizika poškození setrvačník např. prudce zastavit případně baterií při rychlém roztočení…
Děkuji za podrobnost, která mne také zajímá. Doteď jsem si jako laik myslel, že toto – otočkou, kde se na konci zase zastavím a tím vytratit energii není možné. Nicméně ačkoliv grafu s čísly rpm rozumím, vůbec s nedokážu představit jak to prostorově vypadá ..bohužel. Uměl by ten princip někdo vysvělit po lopatě?
Zkusím to. Družici se snaží vnější síly (sluneční vítr) otočit, tím jak foukají do „plachet“ solárních článků. To je znázroněno v pozadí celého grafu, šipka nad družicí. Aby k tomu nedošlo, tak se družice „opírá“ o vnitřní setrvačníky. Jsou dva, běžící opačným směrem. Jejich rychlost se zvětšuje, jak pohlcují energii (šedá a modrá čára). Když už to vypadá špatně, tak operátoři otočí družici o 180 stupňů v ose kolmé na působení slunečního větru (zde asi označované Z, proto Z-flip). To je ta skoková změna rychlosti oranžového setrvačníku – roztočit (tím se začne družice otáčet) a zastavit (tím se zastaví rotace družice). Celý manévr dle obrázku tedy trvá asi 4 hodiny. Je otočená obráceně, tím si šedý a modrý setrvačník vyměnily místa a mohou opět začít pohlcovat energii. Nevýhodou je, že družice kouká na opačnou stranu. Takže je potřeba to zohlednit v plánu pozorování.
Děkuji, vaše trpělivost se vyplatila a já snadno to pochopil. Moc děkuji.
Ještě podotázku- je vidět, že třetí setrvačních pomalu stoupá, chápu že na řešení zmiňuje Dan o vlákno níž, ale asi zase nechápu princip. Vím že na změnu s parametrů dráhy v apogeu je potřeba méně energie. Toto je podobný princip? Otočím si družicí v apogeu tak abych k otočení zpět v perigeu vytratil přebytečné energie více?
Taktiež ďakujem za super popis!
Vcelku mě překvapilo, že ten třetí setrvačník stačí desaturovat gravitačním gradientem v perigeu.
Skvělý článek, přečteno „jedním dechem“!
To nás velice těší. 😉