Rozhodnout se poslat sondu k Jupiteru nebylo zase až tak těžké. Jde o největší planetu Sluneční soustavy, která díky svému velkému počtu měsíců tak trochu připomíná zmenšenou Sluneční soustavu. Tři z těchto zmíněných měsíců navíc mohou pod svými ledovými povrchy ukrývat oceány kapalné vody. Jenže poté přišla ryze praktická otázka: „Jak vlastně složíme misi, která se tam má vypravit?“ Právě v této fázi dostal tým připravující sondu JUICE neocenitelnou pomoc od direktoriátu Evropské kosmické agentury pro technologie, strojírenství a kvalitu. Odborníci pak společně vyřešili celou řadu technických výzev, které mohly ohrozit tuto evropskou výpravu ke králi planet.

„Pokud jde o plánování nové mise, tak začnete tím, že se podíváte na místo, kam má daná mise vyrazit,“ popisuje Christian Erd, manažer sondy JUICE a jejích systémů a dodává: „V případě Jupiteru jde o objekt hodně vzdálený od Slunce, který je osvětlen spíše jen slabě a navíc je tu vysoká úroveň radiace.“ Magnetické pole obklopující Jupiter vytváří největší strukturu ve Sluneční soustavě (vyjma heliosféry – pozn. překl.). Je totiž 15× větší než Slunce a pokud by toto pole bylo vidět pouhým okem, viděli bychom jej na obloze jako útvar větší, než je měsíční úplněk. V případě Země dobře známe tzv. van Allenovy pásy, které zachytávají nabité částice. Také Jupiter má kolem sebe díky svému silnému magnetickému poli podobné radiační pásy. Rozdíl je však v tom, že tyto pásy jsou zhruba 1000× intenzivnější než ty, které obklopují naši rodnou planetu.

Ty vůbec nejenergetičtější lokality těchto radiačních pásů vytváří téměř dokonalé „no-go“ zóny jak pro robotické, tak jednou i pro pilotované výpravy. Christian Erd dodává: „Jedna z prvních věcí, které jsme potřebovali, byl podrobný radiační model Jupiteru, který by mohl sloužit jako základ pro stanovení požadavků mise i pro analýzu.“ Tady pro změnu pomohlo oddělení agentury ESA pro kosmické prostředí a jeho efekty, které vytvořilo produkt dnes označovaný jako model JOSE (Jovian Specification Environment). „Klíčovým milníkem tohoto modelu pro nás byla ukázka, že i místa, která na první pohled vypadala nebezpečně, nemusí být kompletně nedosažitelná. Přibližně tři a půl roku, které sonda stráví u Jupiteru, obnáší ekvivalent radiačního vystavení, které by telekomunikační družice na geostacionární dráze Země dostala za 20 let provozu, s čímž máme dostatek zkušeností,“ popisuje Erd a doplňuje: „Jakmile jsme měli tento model, mohli jsme se pustit do procesu implementace, plánování trajektorií za účelem minimalizace radiačních dávek, nastavení požadavků na odolnost vůči radiaci pro palubní přístroje  subsystémy, nebo plánování testů příhodných součástek.“

Citlivé elektronické součástky jsou chráněny uvnitř boxů vyložených vrstvou olova uvnitř těla sondy JUICE, jejíž trajektorie byla nastavena tak, aby zohlednila výdrž sondy. Kupříkladu sonda JUICE provede 21 průletů kolem měsíce Callisto a svou misi zakončí na oběžné dráze měsíce Ganymedu. Okolo měsíce Europa však oproti tomu proletí pouze dvakrát, protože tento ledový měsíc obíhá kolem Jupiteru nejblíže jeho radiačnímu pásu. Nemusí se to tak zdát, ale tyto dva na první pohled nevinné průlety ukousnou z celkové radiační zátěže sondy JUICE celou třetinu!

Energie v chladné temnotě

Další prioritou bylo prozkoumat, zda JUICE dostane u Jupiteru dostatečné množství slunečních paprsků. Jupiter, který se od Země nachází průměrně ve vzdálenosti 778 milionů kilometrů totiž dostává pouhá 3 % slunečních paprsků než naše Země. Očekávaná provozní teplota fotovoltaických panelů tak klesne na pouhých 30 °C nad absolutní nulu. K této extrémní teplotě nebude docházet pořád, ale pouze ve chvíli, kdy panely společně se sondou vyletí z masivního stínu planety.

V této souvislosti si můžeme připomenout jinou evropskou sondu – legendární misi Rosetta. Ta se při své výpravě ke kometě 67P/Čurjumov-Gerasimenko dostala do podobné vzdálenosti od Slunce a musela proto vstoupit do 31 měsíců trvající hibernace. Potěšující je, že technologie fotovoltaických panelů od té doby udělala významný pokrok, ovšem i tak muselo oddělení ESA zaměřené na generování energie ze Slunce přesně vyladit dnešní špičkové galium-arsenidové třípřechodové články (v zásadě jde o tři vrstvy fotovoltaických buněk, které spolupracují), aby mohly fungovat v chladu a relativním temnu u Jupiteru.

Sonda JUICE ponese na své palubě celkem deset vědeckých přístrojů, které sahají od optických a radarových měření až po magnetická a plazmatická sledování. Aby mohly všechny tyto přístroje nerušeně měřit, je sonda o velikosti dodávky vybavena mnoha výklopnými rameny a anténami. To však s sebou přineslo další technologickou výzvu. Bylo potřeba zajistit, aby sonda sama zůstala z hlediska magnetických a plazmatických parametrů co „nejčistší“. Lidově řečeno – bylo potřeba mít jistotu, že přístroje budou sbírat skutečné údaje o prostředí u Jupiteru a nikoliv rušení způsobené sondou samotnou.

Nezastavitelný software

Jakmile sonda JUICE dorazí k Jupiteru, bude její úroveň samostatnosti srovnatelná jen s několika málo dřívějšími evropskými sondami. „Poslat jednosměrně zprávu pro JUICE zabere kolem 45 minut, takže pokud se cokoliv pokazí, nebudeme schopni to opravit v ani trochu reálném čase,“ popisuje Christian Erd a dodává: „Především jde o dva klíčové manévry k usazení na oběžné dráze – první pro vstup na oběžnou dráhu Jupiteru a druhý pro usazení na dráze kolem Ganymedu, které se musí za každou cenu uskutečnit tak, jak byly naplánovány.“

Možná i Vy jste si při čtení předešlého řádku položili otázku: „No jo, ale co když se něco pokazí?“ Stejně uvažovali i členové týmu mise JUICE. Pokud se běžná mise dostane do stavu selhání, se kterým si už nedokáže sama poradit, vstoupí do tzv. bezpečného režimu. Jde o zabezpečený nouzový stav, ve kterém systémy čekají na pokyn k restartu ze Země. Tohle řešení však u JUICE během vstupu na oběžné dráhy nepřipadá v úvahu, protože přerušení těchto manévrů by znamenalo ztrátu mise. Oddělení vývoje softwaru agentury ESA proto pracovalo na strategii „Failure, Detection, Isolation and Recovery“, což se dá volně přeložit jako selhání – detekce – izolace a obnova. Jde o strategii založenou na hierarchickém přístupu, která se snaží pokud možno dosáhnout lokální nebo dílčí konfigurace omezené na problémovou oblast.

Jak vysvětluje Jorge Lopez Trescastro z oddělení ESA pro softwarové letové systémy: „Teprve až když tahle strategie nedokáže vyřešit objevenou závadu, by sonda vstoupila do bezpečného režimu. Říká se tomu “fail-operational behaviour“, což znamená, že by jediná chyba neměla přerušit zážeh motoru. A i za stavu, kdy bude vstup do bezpečného režimu nevyhnutelný, by sonda stále měla být schopna autonomně pokračovat v kriticky důležitých manévrech.“

Bezpečný režim a jak se mu vyhnout

JUICE navíc dokáže automaticky přepínat mezi hlavními a záložními systémy, aby odvrátila přepnutí do bezpečného režimu. Pokud třeba z jakéhokoliv důvodu přestanou fungovat setrvačníky používané k měření orientace sondy v prostoru, pak je možné během 20 sekund přejít na používání záložních setrvačníků. Právě zmíněných 20 sekund je považováno za maximální dobu, kterou sonda zvládne přečkat bez těchto kriticky důležitých údajů. Ve fázích mise s nejvyšší důležitostí budou záložní jednotky udržovány v „teplém“ stavu. To znamená, že budou připraveny k okamžité aktivaci, aby bylo možné dosáhnout co nejrychlejšího přepnutí.

Stejný přístup se při těchto klíčových fázích použije pro další klíčové systémy jako je namíření antény, otáčení fotovoltaických panelů, sledovače hvězd používané k určování orientace, ale i silové setrvačníky, které se starají o změny orientace. A protože čert nikdy nespí, může teoreticky nastat situace, že by současně selhaly obě sady silových setrvačníků. Ani to by sondu JUICE nezastavilo – rychle by namísto nich začala používat korekční trysky.

A aby toho nebylo málo, inženýři navrhli programové vybavení sondy tak, že nemá pouze jeden univerzální bezpečný režim. JUICE se může přepnout do několika odlišných konfigurací bezpečného režimu, při kterých zůstávají aktivní různé jednotky, čímž se pokusí odvrátit kompletní vypnutí. A i kdyby došlo k aktivaci hlavního (kompletního) bezpečného režimu, má JUICE ještě jednu pojistku. Při spadnutí do tohoto režimu se automaticky aktivuje proces restartu řídící a data spravující jednotky, což je hlavní počítač sondy a její hlavní datové úložiště. Software by pak použil minimální kontextová data pro svou konfiguraci – hlavní anténa by se pokusila zachytávat signál ze Země a s využitím dat ze sledovačů hvězd by se sonda zorientovala. Poté by se pokusila urychleně vrátit do normálního provozu.

A co dál?

V tomto článku byly zmíněny pouze některé aspekty mise JUICE, se kterými pomáhali experti z direktoriátu Evropské kosmické agentury pro technologie, strojírenství a kvalitu. Rozhodně však nešlo o všechny tematické okruhy. Odborná pomoc se týkala také opatření, která mají zajistit ochranu před atomárním kyslíkem, ale i využití palubního rozhraní SpaceWire pro palubní zpracování dat, které propojuje jednotlivé přístroje a subsystémy sondy. JUICE se díky všem technologickým vylepšením stane novou referenční misí ESA pro hluboký vesmír – stejně jako tomu bylo u sondy Rosetta. Tato mise bude sloužit jako startovní bod pro plánování stále ambicióznějších budoucích snah, které se budou vydávat do stále hlubších končin Sluneční soustavy.

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://pbs.twimg.com/media/FpMSEQIWYAomWFr?format=jpg&name=large
https://www.esa.int/…/24813861-3-eng-GB/Jupiter_s_magnetosphere.jpg
https://www.esa.int/…/Sealing_one_of_Juice_s_lead-lined_vaults.jpg
https://www.esa.int/…/Juice_solar_panels_ready_to_turn_into_wings.jpg
https://www.esa.int/…/Magnetic_testing_of_Juice_spacecraft.jpg
https://www.esa.int/…/Juice_orbits_around_Ganymede_artist_s_impression.jpg
https://www.esa.int/…/Operating_in_an_extreme_environment.jpg
https://www.esa.int/…/Juice_transfers_to_fuelling_facility.jpg
https://www.esa.int/…/Juice_encapsulated_in_Ariane_5_fairing.jpg
https://www.esa.int/…/24640828-2-eng-GB/Juice_s_legacy.png