Po podrobnějším pohledu na planetu Merkur, jakožto objektu vědeckého bádání evropsko-japonské mise BepiColombo, který jsme vám nabídli minulou sobotu, se dnes přesuneme z astronomie zpátky do kosmonautiky. Dnešní díl seriálu Návrat k poslovi bohů bude trochu unikátní tím, že půjde o vůbec první článek na našem webu, který bude patřit do dvou seriálů najednou. A jelikož se tento článek bude soustředit na konstrukci evropské vědecké družice Mercury Planetary Orbiter (MPO), tím druhým seriálem nebude nic jiného, než vámi oblíbený Pohled pod kůži, ve kterém do detailu rozebíráme konstrukce kosmických strojů, zejména vědeckých sond, a jejich vědeckého vybavení.

Konstrukce družice Mercury Planetary Orbiter

Vědecká družice Mercury Planetary Orbiter (MPO) Evropské kosmické agentury (ESA) je hlavní a nejkomplexnější součástí mise BepiColombo. Dalšími dvěma elementy jsou japonská vědecká družice Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) a evropský přeletový modul Mercury Transfer Module (MTM). Ty si ale rozebereme až v příštích dílech.

Konstrukce MPO je optimalizována k dodržení provozních požadavků v náročném prostředí nízké oběžné dráhy Merkuru. Družice má hmotnost přibližně 1,2 tuny, rozměry 2,4 × 2,2 × 1,7 m a je stabilizována ve třech osách tak, aby mohla vždy směřovat k Merkuru stejnou stranou. Abychom se lépe zorientovali, podívejme se na obrázek vpravo, kde je MPO umístěna do souřadnicového systému. Většina vědeckých přístrojů je umístněna na „spodní“ straně družice v ose +z, aby měly nepřetržitý výhled na povrch planety, zatímco některé senzory jsou instalovány u hlavního radiátoru v ose -y, kde nikdy nepřijdou do kontaktu se slunečními paprsky, aby bylo dosaženo jejich optimální provozní teploty. Přesné rozložení i funkci vědeckých přístrojů si popíšeme v příštím díle tohoto seriálu, který vyjde opět za týden.

Radiátor systému tepelné regulace bude vždy směřovat směrem od Slunce. Jelikož ale bude MPO osou +z stále mířit k Merkuru, bude potřeba, aby se sonda dvakrát za jeden oběh otočila okolo osy z o 180°, aby byly obě tyto podmínky splněny. To znamená, že družice bude střídavě obíhat stranou +x a –x ve směru svého pohybu. Díky tomu budou mít přístroje MPO nepřetržitý výhled na povrch planety a radiátor bude mít stále ideální pozici pro chlazení všech systémů.

Polární oběžná dráha s dobou oběhu 2,3 h bude mít parametry 480 × 1 500 km s argumentem šířky perihermu (viz Slovníček) pohybujícím se mezi 16° severní a jižní šířky v průběhu celé nominální vědecké fáze mise. Jak je vidět na obrázku níže, v přísluní, kdy je Merkur Slunci nejblíže, se nachází apoherm MPO na denní straně planety. Tato konfigurace umožňuje minimalizaci tepelné zátěže způsobované nejen Sluncem, ale také albedem Merkuru. Přesun planety přísluním je navíc důležitý pro přístroje studující exosféru Merkuru. V přísluní je totiž oběžná rychlost Merkuru lehce vyšší než její rotace. Z povrchu by to tedy vypadalo, že se slunce na obloze zpomalilo, zastavilo a začalo putovat opačným směrem. Tento jev trvá přibližně čtyři pozemské dny, načež se zdánlivý pohyb slunce znovu zastaví a obrátí se do „správného“ směru. Toto období je tedy pro studium exosféry nejvhodnější, jelikož její část zastíněná samotným Merkurem se dlouhou dobu vyhýbá vlivu slunečního větru a lze ji tak zkoumat dlouhodoběji bez jejího narušení. Opačně je tomu v druhé polovině Merkurova roku, tedy na opačné straně oběžné dráhy okolo Slunce, kdy se periherm sondy ocitá nad denní stranou planety. Tyto podmínky jsou pro změnu příhodné pro kamery a další přístroje snímající povrch. Díky dobře osvětlenému povrchu a nízkou výškou sondy nad ním dosáhnou přístroje nejlepších možných rozlišovacích schopností.

Jak již bylo řečeno, jediná strana MPO, která bude neustále směřovat směrem od Slunce bude strana s radiátorem tepelné ochrany v ose –y. Radiátor o délce 3,7 m je vybaven vysoce odrazivými lamelami, které jsou vyleštěny a orientovány v ideálním úhlu pro zajištění minimalizace absorpce tepla odraženého od Merkuru, a pro umožnění maximálního možného vyzařování přebytečného tepla sondy do okolního prostoru. Pro zajištění ideálních tepelných podmínek MPO je družice kromě aktivního radiátoru vybavena také pasivní několikavrstvou izolační folií, která je navíc doplněna ručně přišívanou izolační přikrývkou, která bude tělo sondy před spalujícím Sluncem a žhnoucím Merkurem chránit primárně. Běžné izolační vrstvy, které známe z jiných kosmických strojů, 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, způsobovala by hromadění elektrostatického náboje na povrchu sondy. Proto jsou do tkaniny vetkána v deseticentimetrových rozestupech vodivá vlákna. Ani tato pokrývka ale nemůže zaručit absolutní tepelnou ochranu. Stejně tak družice samotná vytváří teplo svými systémy a vědeckými přístroji. Všechno toto přebytečné teplo je pak odváděno potrubím chladicího systému právě do zmiňovaného radiátoru, kde je vyzářeno pryč.

Konstrukce MPO poskytuje volný přístup k veškerým systémům a vědeckým přístrojům v průběhu výstavby, integrace a testování. Odlehčená primární kostra slouží jako spojovací prvek, ke kterému byly připojeny všechny ostatní systémy. V obou směrech osy z je konstrukce opatřena čtyřmi fixními body sloužícími k připojení k ostatním elementům mise BepiColombo. V ose +z je MPO připojena k přeletovému modulu MTM a na opačné straně v ose –z je k MPO připojen sluneční štít MOSIF, který ukrývá japonskou vědeckou družici MMO. MOSIF pak slouží nejen jako tepelná ochrana MMO během dlouhé cesty k Merkuru, ale zajišťuje tomuto malému japonskému spolucestujícímu také datové a elektrické spojení se zbytkem sondy a navíc i mechanický systém pro jejich vzájemné oddělení.

O výrobu elektrické energie se postará poněkud netypický jediný panel solárních článků o délce 7,5 m a ploše 8,2 m2. Kvůli minimalizaci tepelné zátěže panel využívá technologii optických solárních reflektorů OSR, díky kterým je snížena degradace solárních článků vlivem intenzivního slunečního záření. Tato vysoce odrazivá vrstva křemene tvoří 30 % solárních panelů MPO. Díky tomu by jejich teplota neměla přesáhnout 200°C. I přesto se ale bude muset solární panel na operační oběžné dráze neustále otáčet, aby udržoval nízký úhel dopadu slunečních paprsků. V přísluní planety bude tento úhel činit až 80°. Tím bude zajištěno vyrobení dostatečného množství elektrické energie za současné ochrany před velkým tepelným namáháním. Solární panel má svou rotační osu orientovánu takovým způsobem, aby se minimalizovalo množství tzv. umělých zatmění, tedy stavů kdy je spojnice Slunce a sondy rovnoběžná s rotační osou panelu, což má za následek nulové množství vyrobené energie. I přesto ale občas k onomu umělému zatmění dojde a bude samozřejmě docházet i ke skutečným zatměním, kdy se mezi MPO a Slunce dostane Merkur. V takových případech poskytnou nezbytnou elektrickou energii palubní baterie, které tak zajistí nepřetržitou vědeckou činnost.

Družice MPO je vybavena dvěma fixními všesměrovými nízkoziskovými anténami, jednou pohyblivou středněziskovou anténou a jednou hlavní pohyblivou vysokoziskovou anténou o průměru jednoho metru. Všesměrové nízkoziskové antény komunikují v pásmu X a byly využity blízko Země v první fázi mise od vynesení raketou Ariane 5 po uvedení dalších dvou antén do provozu. Mohou ale také sloužit jako záložní prostředek spojení a to na jakoukoliv vzdálenost. Střednězisková anténa také pracuje v pásmu X a její role je především během sedmileté přeletové fáze a při případném přechodu sondy do nouzového režimu. Jednometrová vysokozisková anténa konečně poskytne spojení v pásmu X v obou směrech a v pásmu Ka ve směru od sondy k Zemi. Toto vysokorychlostní spojení bude samozřejmě hrát prim během vědecké fáze mise. Může být ale použita i během přeletové fáze pro zvýšení datového toku v případě, že to bude nutné.

Naopak na Zemi bude primární pozemní stanicí pro spojení s BepiColombo španělská sledovací stanice Cebreros evropské sítě ESTRACK, jejíž největší anténa dosahuje průměru 35 metrů. Ve službě ale budou připraveny i další pracoviště. Sledovací stanice v Kourou a Perthu byly primárními místy spojení během úvodní fáze LEOP (Launch and Early Orbit Phase). Stanice Usuda a Uchinoura budou sloužit jako zálohy a stanice New Norcia v Austrálii bude se sondou komunikovat během vstupu na oběžnou dráhu Merkuru.

Jak bylo popsáno výše, MPO je družice stabilizovaná ve třech osách a bude neustále upravovat svou orientaci v prostoru tak, aby směřovala stále stejnou stranou k Merkuru. K tomu jí poslouží několik subsystémů udržování a řízení polohy. Prvním elementem tohoto systému jsou tři sledovače hvězd, které navigačnímu počítači poskytnou data o orientaci sondy vzhledem k vybraným hvězdám. Během vědecké fáze budou v provozu vždy dva. Každý sledovač se skládá z optické soustavy, elektroniky, sluneční clony a závěrky, která může být uzavřena v případě významné anomálie orientačního systému, aby tak citlivou optiku ochránila před devastujícími slunečními paprsky. Dalším subsystémem jsou dvě inerciální měřící jednotky skládající se ze čtyř vysoce přesných gyroskopů a čtyř akcelerometrů v čtyřboké konfiguraci, doplněných patřičnou elektronikou. Dále jsou zde dvě sady slunečních senzorů. V neposlední řadě systém obsahuje čtveřici setrvačníků řízených dvěma řídícími jednotkami, přičemž k bezproblémovému provozu postačuje kombinace kterýchkoliv třech z nich.

O pohon družice se postará celá řada malých raketových motorků. Nejprve jsou k dispozici dvě sady (hlavní a záložní) čtyř motorů o tahu 22 Newtonů, které zajistí vstup na oběžnou dráhu nejen evropské MPO, ale i japonské MMO, která vlastní pohon nemá. Dále tyto motory zajistí snižování a úpravy oběžné dráhy, aby se MPO i MMO dostaly do svých plánovaných destinací. Po dosažení cílové dráhy budou motory deaktivovány. Toto chemické kvarteto je umístěno na stejné straně, jako většina vědeckých přístrojů, které budou stále mířit k Merkuru, tedy v oze +z. Jako palivo poslouží hydrazin a jako okysličovadlo pak MON-3, což je směs oxidů dusíku odpovídající kombinaci oxidu dusičitého a 3 % oxidu dusnatého. Dále má družice k dispozici dvě sady (opět hlavní a záložní) čtyř slabších hydrazinových motorků o tahu 10 Newtonů, které poslouží jako výpomoc setrvačníků při orientaci sondy v prostoru. Tyto motory se nacházejí na straně radiátoru, tedy v ose –y. Umístění všech výše uvedených prvků můžete vidět na obrázku vlevo. Čtyři trysky hlavních motorů se nacházejí na čelní straně ve čtyřech největších kruhových otvorech tepelné izolace. Hned vedle nich se pod bělomodrou ochrannou folií schovávají čtyři fixní body, kterými je MPO připojena k přeletovému modulu MTM. Na levé straně pak můžeme v rozích vidět čtyři lesklé plošky se zlatavými tryskami slabších orientačních motorků a také tři červené oválné krytky sledovačů hvězd.

Tolik o konstrukci evropské vědecké družice Mercury Planetary Orbiter. V příštím díle se jí podíváme pod kůži znovu, avšak tentokrát se zaměříme na jejích 11 vědeckých přístrojů.

Zdroje informací:
http://sci.esa.int/
https://www.cosmos.esa.int/
http://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://www.cosmos.esa.int/
https://menafn.com/
https://www.cosmos.esa.int/
http://sci.esa.int/
http://www.esa.int/
http://www.esa.int/