Na závěr našeho desetidílného seriálu, který mapuje sekundární mise, které se svezou na raketě SLS při Artemis I, jsme si nechali CubeSat vůbec nejzajímavější! Vydá se tam, kam i velké mise mají problémy doletět a přes své titěrné rozměry má dělat velkou vědu a posunout znalosti lidstva vedoucí ke zlepšení planetární obrany. Cílem je malá blízkozemní planetka a také snaha dokázat, že i v tak malém balení lze dělat velké mise. To je NEA Scout, malá sonda s velkou sluneční plachtou, vychytanou kamerou a palubním zpracováním dat, doplněná o sekundární pohon a navigaci. Pojďme se na tuto misi podívat blíže.

Začneme trochu od lesa, respektive od neznámých znalostí blízkého vesmíru a vysvětleme si, co to je SKG. Zkratka SKG – Strategic Knowledge Gaps představuje soubor chybějících znalostí, které nám schází k plnému pochopení rizika a výzev potřebných ke snížení rizik, zvýšení efektivity a zlepšení návrhu robotických a pilotovaných misí. Jedná se o znalosti, které nám zatím chybí k tomu, abychom správně chápali všechny výzvy před vysláním misí různých určení. NEA Scout se zaměří na jednu takovou chybějící znalost a tou je neznalost malých blízkozemních planetek, které mají velikost pod 100 metrů. Tyto objekty jsou těžko dosažitelné pro větší mise, pro které představují málo hmotný, palivově náročný a obecně malý cíl. Žádná běžná mise ještě k tak malým tělesům necestovala. Nicméně malých planetek je v blízkozemní oblasti poměrně velké množství a znalost jejich složení, chování a rozmístění je stěžejní pro budoucí komplexnější mise.

Rozložení vnitřních přístrojů NEA Scout
Zdroj: https://eoportal.org/

K malé planetce je nejlepší poslat malého průzkumníka, který tak bude levný, efektivní a pomůže nám relativně jednoduše získat informace. Klasické CubeSaty však stále mají závažné nedostatky, zejména co se pohonu týká. Přitom let k těmto planetkám je pro tak malé družice energeticky náročný. CubeSaty testují řadu experimentálních pohonů iontových, na stlačený plyn, či využívající klasické spalování, ale vždy je tu problém velikosti, která omezuje hmotnost paliva a tedy množství dostupné změny rychlosti. NEA Scout však využije kombinaci pohonu na stlačený plyn – pro korekce a solární plachty.

Solární plachta je v podstatě jednoduchá záležitost. Velká lehká plachta, která čím má větší plochu, tím více zachytí fotonů, které putují od Slunce. Dopady fotonů předávají neuvěřitelně malé energie přeměněné na pohybovou energii. Nicméně pokud máte dostatek času (změna rychlosti je i při velké plachtě pomalá), tak vám tato plachta dá tolik potřebnou změnu rychlosti, se kterou by si zatím žádný konvenční pohonný systém CubeSatů neporadil.

Balíček solární plachty NEA Scout
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Samozřejmě výhoda malého CubeSatu je technologickou výzvou pro vytvoření velmi malé skladné a přitom rozkládací plachty. NEA Scout bude disponovat plachtou, která po rozložení dosáhne plochy 86 metrů čtverečních. Tato plachta bude rozepnuta čtyřmi výsuvnými rameny, z nichž každé má při plném rozložení délku 6,8 metru. Ramena jsou vysouvána pomocí dvou malých krokových motorů, které pomocí ozubeného kola převádějí pohyb vždy na dvě ramena rozmístěná od sebe v úhlu 90 stupňů. Konstrukce vychází z dřívějších testovacích misí, jako byla Nanosail D, která však využívala jednodušší systém rozkládání. Plné rozložení a vypnutí plachty bude trvat 30 minut. Plachta by měla CubeSatu v průběhu dvou let zajistit úctyhodnou změnu rychlosti o 2 km/s. Samotná plachta má tloušťku pouhých 25 mikrometrů a je tvořená hliníkovou a polymidovou fólií.

Samotná plachta však bez možnosti ji naklánět není nejspolehlivějším pohonem. Při jejím použití dochází k různým drobným změnám vektoru natočení, k vibracím a vlivem nerovností na plachtě pak dochází k dalším změnám trajektorie. NEA Scout proto disponuje systémem ATM (Active Mass Translation), který vyvinulo Marshallovo středisko. Jeho úkolem bude aktivně přemístit vektor slunečního tlaku vůči těžišti sestavy, aby byla plachetnice stabilní. Díky tomu bude možné zajistit zatáčení a jemnější navigaci. Změna těžiště se bude provádět pomocí pohyblivých prvků ve středu CubeSatu.

Pohon bude dále doplněn tryskami na stlačený plyn, které budou zajišťovat potřebné větší změny natočení a také pomohou sondu stabilizovat. Stlačeného plynu je samozřejmě omezené množství a jedná se tak o doplňkový pohon.

To se už pomalu dostáváme k další velké výzvě. Jedna otázka je nabrat rychlost a disponovat schopností měnit polohu, druhou je schopnost přesně navigovat na cíl. Krom systému klasické orientace zaměřené na hvězdné pole porovnávající polohu hvězd a slunečních senzorů, využívá navigace i hlavní vědecký přístroj, kterým je černobílá kamera, která vychází z navigačních kamer, které jsou umístěny na vozítku Perseverance na Marsu. Tato kamera s rozlišením 14 megapixelů bude během přibližování fotografovat planetku i z velké vzdálenosti a data budou vyhodnocována dle polohy planetky v zorném poli.

NEA Scout
Zdroj: https://eoportal.org/

Malá odbočka. Cílem je planetka 1991VG, jejíž odhadovaný průměr se pohybuje kolem 10 metrů. Velká vzdálenost (nachází se 1 astronomickou jednotku od Země), malá velikost a nízké albedo (odrazivost světla) neumožňují zjistit mnoho informací na dálku. Nicméně díky vývoji pozorovacích technologií se během posledních let podařilo výrazně zlepšit některé základní charakteristiky její dráhy a NEA Scout tak neletí zcela naslepo. Základní parametry oběžné dráhy jsou známé a palubní počítač a navigační systém s nimi počítá. CubeSat však čeká průlet kolem tělesa při rychlosti 10 km/s, při kterých má za úkol pořídit snímky povrchu s maximálním rozlišením 10 cm/pixel. To už vyžaduje velmi přesnou navigaci u cílového tělesa a aktivní řízení.

Kamera NEA Scout
Zdroj: https://eoportal.org/

Kamera, která se bude používat při závěrečném navedení na průlet kolem cílového tělesa, bude fotografovat toto těleso a přitom její snímky pomohou zpřesňovat trajektorii. Hlavně však bude poskytovat vědecký materiál ke studiu. Nicméně nízká odrazivost cílového tělesa je trochu problém. Konvenční velké mise fotografují tmavá tělesa tak, že provádí dlouhé expozice a díky tomu nasbírají dostatek světla, aby na výsledném snímku bylo vidět vše podstatné. Dlouhé expozice vyžadují naprosto přesné zaměření a stabilní klidné těleso. NEA Scout díky sluneční plachtě bude méně stabilní a dlouhá expozice nepřipadá v úvahu, protože by snímky byly rozmazané.

Systém proto bude pořizovat v rychlém sledu několik snímků, jejichž sloučením a vyhodnocením získá potřebná data. Jejich sloučení bude probíhat přímo na palubě pomocí palubního počítače. Samozřejmě 14 megapixelové snímky s 16 bitovou hloubkou představují poměrně velké objemy dat. Při absenci apriorních znalostí o cíli není možné předpovědět parametry pro bezeztrátovou kompresi. Problém se řeší tak, že cíl během fáze přibližování vyplňuje pouze malý zlomek celkového obrazu. Tato malá část, včetně rezerv založených na nejistotě cílové polohy a v současnosti neznalosti sondy, představuje asi 0,28% celkového obrazu. Jen tento zlomek se bude během přibližování vyhodnocovat. Rozdíl nastane během průletu a započetí vědecké fáze. V té chvíli bude cílový objekt zabírat asi 7% plochy obrazu a tato plocha bude vyhodnocována. Zbytek bude černý obraz, protože by stejně kamera zachytila jen černý vesmír.

I tak vytvoří kamera během vědecké fáze zhruba 200 Mbit dat a ty se budou muset odeslat na Zemi. Jelikož je plocha CubeSatu omezena a nedostatek je i energie, bude anténa posílat data rychlostí 1 kbit/s, což odpovídá době posílání dat v celkové délce 60 hodin. Situace je však ještě více komplikovaná. Poslat najednou celý objem dat není možné, protože by to nezvládly palubní akumulátory. Vysílání dat bude energeticky velmi náročné.

Sluneční plachta
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Ostatně celý CubeSat čelí ohledně spotřeby energie mnoha výzvám. Sladit dohromady odběr kamery, navigačního softwaru, komunikace, polohovacího systému vyžaduje jisté kompromisy. NEA Scout je vybavena sekundárními akumulátory, které jsou primárně určeny pro anténu. Tyto akumulátory dokáží dodávat anténě energii po dobu 50 minut a následně se 8 hodin dobíjí. Celkový přenos dat tak v rámci těchto vysílacích oken bude probíhat 30 dní.

Na závěr pár slov k průběhu mise. Celkové trvání mise je naplánováno na 2,5 roku. Poté, co se NEA Scout oddělí od horního stupně rakety SLS, provede průlet kolem Měsíce. Po tomto průletu a usazení se na protáhlé eliptické dráze dojde k rozvinutí plachty. Poté bude následovat několik obletů Měsíce, než se najde ideální úhel pro odlet na oběžnou dráhu kolem Slunce. Následovat bude přelet k planetce trvající kolem dvou let.

Pokud se celý systém, který testuje NEA Scout, osvědčí, počítá se s nasazením většího počtu ještě pokročilejších misí, které by relativně jednoduše a relativně levně dokázaly prozkoumat malé blízkozemní planetky. NEA Scout tak prošlapává cestu k ještě zásadnějšímu poznání rizik okolního vesmíru pro budoucí velké mise, včetně těch pilotovaných.

Zdroje informací:
https://www.nasa.gov/
https://www.jpl.nasa.gov/
https://directory.eoportal.org/
https://www.nasa.gov/
https://ntrs.nasa.gov/
https://ntrs.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/…/image/nea_scout_sail_fully_deployed.jpg
https://www.nasa.gov/…/image/neascout_packaged_sail_prior_to_deployment.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8c/Near_Earth_Asteroid_Scout.jpg
https://eoportal.org/ftp/satellite-missions/n/NEAScout_210122/NEAScout_Auto3.jpeg
https://eoportal.org/ftp/satellite-missions/n/NEAScout_210122/NEAScout_Auto5.jpeg
https://ntrs.nasa.gov/citations/20160007002