ROSETTA - klíčový program Evropské kosmické agentury v oblasti výzkumu malých těles sluneční soustavy
Autor: Jan Toman a Aleš Holub
Mezinárodní
program sondy Rosetta byl přijat Výborem pro vědecké programy na zasedání v
listopadu 1993, který ho doporučil zařadit mezi dlouhodobé cíle Evropské kosmické
agentury. Původní scénář počítal se startem v lednu 2003, po němž měla být sonda
navedena na meziplanetární dráhu ke kometě Wirtanen, se kterou se měla setkat
v listopadu roku 2011. Během přeletu měla rovněž uskutečnit krátkodobá pozorování
asteroidů Otawara (červenec 2006) a Siwa (červenec 2008). Uskutečnění tohoto
plánu zabránila havárie nosné rakety Ariane
5 při svém inauguračním letu s novým motorem Vulcain-2 v prosinci 2002, pouhý
měsíc před startem sondy Rosetta. Pro časovou tíseň bylo rozhodnuto odložit
start o jeden rok a změnit cíl sondy – stala se jím kometa 67/P Čurjumov-Gerasimenko.
Sonda úspěšně odstartovala 02.03.2004 a 05.09.2008 proletěla kolem planetky 2867 Šteins (provedla její snímkování a měření). Přílet ke kometě 67/P Čurjumov-Gerasimenko se uskutečnil v srpnu 2014 (06.08.2014 byl zahájen let ve formaci s kometou ve vzdálenosti cca 100 km, pak byla vzdálenost postupně snižována, až byla v říjnu 2014 dosažena oběžná dráha kolem komety ve vzdálenosti cca 10 km). Teprve během příletu sondy bylo v polovině roku 2014 zjištěno, že kometa 67P má nepravidelný tvar (připomínající dětskou "kačenku"), takže manévrování v okolí komety a vysazení přistávacího modulu bylo poměrně obtížné a musel být částečně změněn i způsob přistání modulu Philae.
K vysazení modulu Philae z Rosetty došlo ve středu 12.11.2014 kdy sonda ve vzdálenosti cca 20 km od komety provedla motorický manévr, který po uvolnění nasměroval modul Philae směrem ke kometě. Po cca 7 hodinách sestupu se pak modul poprvé dotknul povrchu komety. Kvůli technickým obtížím (nezafungoval reaktivní systém ADS a při dosednutí se nevystřelily záchytné harpuny) se ale modul neplánovaně odrazil od povrchu, několikrát "poskočil" a skončil v zajímavé, ale hodně zastíněné oblasti, navíc v nakloněné poloze. Modul tedy bohužel mohl provést měření pouze na svoje interní baterie. Vydržel fungovat cca 50 hodin a pak se pro nedostek energie odmlčel. Do té doby ale modul Philae stihnul zaznamenat a odeslat většinu plánovaných měření. V roce 2015, když byla kometa blíže ke Slunci, sice Rosetta zachytila pár slabých signálů modulu Philae, ale další vědecká data se už z modulu získat nepodařilo.
Mise mateřské sondy Rosetta u komety dále pokračovala. Pozorování z větší vzdálenosti probíhalo po celý rok 2015 kdy sonda sledovala kometu v perihelu (což bylo 1,25 AU od Slunce v srpnu 2015). V létě 2016, po opadnutí aktivity povrchu se Rosetta opět přiblížila k jádru komety až na méně než 2 kilometry a na jednom z detailních snímků se podařilo nalézt ztroskotaný modul Philae. Konec mise plánovaně nastal 30.09.2016, kdy Rosetta řízeně dosedla (dopadla) na povrch komety. Data ze sondy byla vysílána po celou dobu sestupu. Sonda byla naprogramována tak, aby ihned po dopadu automaticky vypnula své systémy (aby na povrchu komety nezůstalo neovladatelné radiově aktivní zařízení). Tím byla celá mise završena.
Konstrukce sondy ROSETTAbyla navržena s ohledem na následující kritéria, jež budou rozhodující pro splnění všech plánovaných úkolů:
1. Zabezpečení dlouhodobého přežití vědeckých přístrojů v blízkosti komety, při průletech prachovými a plynovými výtrysky musí být vyřešena jejich spolehlivá ochrana. Měřící a snímkovací aparatury budou umístěny pohromadě, aby byla možná souběžná pozorování.
2. Letová navigace bude řešit složité úkoly letu v blízkosti komety při letové výšce cca 1 kilometr od nepravidelného rotujícího jádra za neustálého působení nepravidelných a nepředvídatelných výtrysků z komety.
3. Zabezpečení úspěšnosti mise přistávacího modulu Philae - správné navedení do cílové přistávací oblasti je podmíněno přesnou stabilizací sondy Rosetta - tolerance je řádově v desítkách centimetrů při určení polohy sondy a komety a milimetry za sekundu při určení jejich vzájemné rychlosti.
4. Tepelná ochrana sondy - vzhledem na výrazně eliptickou dráhu sondy budou velké rozdíly v intenzitě dopadajícího záření ze Slunce.
5. Autonomnost sondy - při průletech Rosetty kolem asteroidů a příletu ke kometě bude sonda příliš vzdálená, aby bylo možné operativně zasahovat do její činnosti.
6. Zvládnutí nároků na orientaci a velice jemné korekce dráhy v blízkosti komety a to s přesností milimetrů za sekundu.
7. Hmotnost sondy nesmí překročit 2900 kilogramů i s pohonnými hmotami. Tento limit je dán nosností rakety Ariane 5.
8. Požadavek na jedenáctiletou životnost - důležité systémy budou zdvojené, navíc se opotřebení zařízení sníží dlouhodobou hibernací .
Základní
jednotku sondy Rosetta tvoří kvádr o rozměrech 2,8x2,1x2 metru s hliníkovou
kostrou. Na jeho bocích jsou uchyceny proti sobě dvě křídla slunečních panelů
o celkovém rozpětí 32 metrů, každé o ploše 32 čtverečních metrů. Sonda je složena
ze dvou základních bloků: Payload Support Module (PSM) s vědeckými přístroji,
ve spodní části se nachází Bus Support Module (BSM) s provozními systémy sondy.
Horní a spodní základnu těla sondy zabírají anténa s vysokým ziskem na straně
jedné a přistávací modul na straně protější. Plošina s vědeckými přístroji je
zkonstruovaná tak, aby mohla nepřetržitě sledovat jádro komety z oběžné dráhy,
zatímco sluneční panely a anténa budou zamířeny směrem ke Slunci respektive
Zemi.
Zásoby pohonných hmot jsou ve dvou tancích, každý má objem 1 106 litrů. V horním je 660 kg paliva, ve spodním 1060 kg okysličovadla . Sonda je schopna provádět korekce dráhy až do celkové změny rychlosti delta V 2 200 m/sec. Startovní hmotnost sondy Rosetta včetně pohonných hmot je 2 900 kg včetně čtyř 35 litrových tlakových nádrží s pohonnou látkou pro orientační systém. Sonda je stabilizovaná ve všech třech osách pomoci 24 korekčních motorků o tahu 10 N. Orientační systém využívá dvou hvězdných čidel, slunečního čidla, navigační kamery a tří gyroskopů. Sluneční baterie zásobují systémy sondy elektrickou energii. V aféliu, ve vzdálenosti 5,2 AU má sonda k dispozici příkon 400 W. Ve vzdálenosti 3,4 AU, kde budou zahájena vědecká měření již příkon stoupne na 850 W. Na palubě sondy jsou čtyři NiCd baterie, každá s kapacitou 10 Ah. Systémy sondy jsou napájeny stejnosměrným 28 V napětím.Komunikace se Zemí je možná přes směrovatelnou anténu s vysokým ziskem, dvě pevné antény se středním ziskem o průměru 0,8 m a dvě všesměrové antény.
Příkazy na sondu jsou předávány v pásmu S, vysílání vědeckých dat probíhá v pásmu X volitelnou rychlostí do 20 kbit/sec.
Vědeckou výbavu sondy Rosetta tvoří celkem 16 přístrojů o celkové hmotnosti 150 kg. Mezi ně patří:
1. OSIRIS (Optical, Spectroscopic and Infrared Remote Imaging Systém)
- zobrazovací systém složený ze dvou kamer. Krátko- a dlouhofokální.Celková hmotnost 23,1 kg, příkon každé kamery 32,4W.
Hlavním úkolem bude pořízení snímků povrchu v různých oborech spektra, určení základních charakteristik jádra (velikost, albedo, rozložení aktivních oblastí a rotační charakteristiky jádra komety).
Širokoúhlá kamera (WAC – Wide Angle Camera) má ohniskovou vzdálenost 140mm, světelnost f/5,6, citlivost v pásmu 250-1000nm. Zobrazovací pole kamery tvoří matice 2048x2048 prvků CCD. Zorné pole kamery je 12,1x12,1 stupňů, rozlišení je 100 mikroradiánů na pixel. Na dvou otočných bubnech je k dispozici 14 filtrů pro snímkování v různých vlnových délkách.
Úzkoúhlá kamera (NAC – Narrow Angle Camera) s ohniskovou vzdáleností 700 mm je citlivá v oboru 250-1000 nm. Tak jako i širokoúhlá má k dispozici dvě sady výměnných filtrů. Zorné pole kamery je 2,35x2,35 stupňů, rozlišení 20 mikroradiánů na pixel.
2. ALICE (UV Spectrometer) hmotnost experimentu
2,2 kg, příkon 2,9W.
Poslouží ke zmapování rozložení chemických prvků v atmosféře komety a spektroskopickému
průzkumu povrchu. Citlivost přístroje je v rozmezí 0,07 – 0,205 mikrometru.
Rozměry přístroje jsou 32,6x14,6x9 cm.
3. VIRTIS (Visible and IR Mapping Spectroscopy)
hmotnost přístroje je 23 kg.
Určí složení kamenného jádra, chemické zastoupení prvků v komě, charakteristiky
povrchů asteroidů. Citlivost přístroje je v rozmezí 0,25 – 5mikrometrů.
Skládá se ze dvou kanálů: VIRTIS-M pro snímkování ve viditelném a infračerveném
oboru spektra a VIRTIS-H pro spektroskopii s vysokým rozlišením.
4.
MIRO (Microwave Instrument) je mikrovlnný spektrometr pro mapování
podpovrchové teploty jádra komety, a měření množství a složení unikajících plynů.
Pracovní frekvence přístroje je 236GHz (1,3mm) a 562 GHz (0,5mm).
5. ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) - neutrální plynový a hmotový spektrograf zmapuje prvkové a molekulární složení kometární atmosféry a ionosféry. Rovněž změří charakteristiku neutrálních a nabitých částic v okolí komety.
6. COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Analyzer) je prachový hmotový spektrometr pro analýzu emitovaných prachových částic a mapování interakcí mezi jednotlivými částicemi v atmosféře.
7. MIDAS (Micro Imaging Dust Analysis Systém)
hmotnost přístroje 8kg, příkon 7,4W
Přístroj pro částicovou morfologii - snímky jednotlivých částic (rozlišení 4nm),
určení jejich orientace, změření množství jednotlivých částic.
8. CONSERT (Comet Nucleus Sounding Experiment) – provádí rádiovou sondáž pro tomografii jádra, změření vnitřní struktury a určení vlastností materiálu. Vysílá rádiové pulsy o trvání 25,5 mikrosekundy oddělené 10 mikrosekundovou pausou. Během jednoho oběhu se předpokládá provedení cca 6 000 měření.
9. GIADA (Grain Impact Analyser and Dust Accumulator) – určí rychlost, množství a hmotnost prachových částic.
10. IES (Ion and Electron Senzor), hmotnost 0,989 kg, příkon 1,9W – elektronový senzor, magnetometr a částicový analyzátor. Hlavním úkolem je sledování interakce komy a slunečního větru a mapování dějů v komě komety.
11. MODULUS Berenice (Methods of determining and
Understanding Light elements from Unequivocal Stable isotope compositions) hmotnost
3kg, příkon 5W.
Je experiment sestávající ze dvou přístrojů - plynového chromatografu a hmotového
spektrometru. Obdobný přístroj je umístěný i na přistávacím modulu.
12. RSS (Radio Science Investigation) využívá vysílacího zařízení sondy pracujícího v pásmu X (8,4 GHz) a S (2,3 GHz). Získaná data umožní zmapovat gravitační pole jádra komety.
13. LAP (Langmuir Probe) hmotnost 0,454kg, příkon
1,4W
Přístroj navržený pro detailní studium plazmy v blízkosti kometárního jádra.
Spolu s experimenty IES,MAG, ICA a MIP tvoří soubor přístrojů nazývaný
RPC (Rosetta Plasma Consortium).
14. MAG (Fluxgate Magnetometer) hmotnost 0,096kg,
příkon 0,7W
Měří magnetické pole v rozmezí –16384 až +16384nT po krocích 0,031 nT.
Umístěný je na dlouhé tyči.
15. ICA (Ion Composition Analyser) hmotnost
2,02kg, příkon 4,2W
Přístroj k měření energii, el. náboje a hmotnosti částic emitovaných Sluncem
(slunečního větru) a kometou.
16. MIP (Mutual Impedance Probe) hmotnost 0,37kg,
příkon 2W
Měří hustotu plazmy, její teplotu, monitoruje šíření vln s kmitočtem okolo
10 kHz.
Všechny
výše uvedené přístroje budou zkoumat kometu a její okolí z větší vzdálenosti.
Pro přímý průzkum je určený přistávací modul (lander) Philae, mající
hexagonální tvar o průměru přibližně jednoho metru a výšce 80cm otevřený na
jednom konci. Pro jeho konstrukci budou použity kompozitní materiály. Elektrickou
energii budou dodávat sluneční články pokrývající boční stěny modulu. Získané
informace bude na mateřskou sondu předávány pomoci vysílače v pásmu S a
výkonu 1W. Stabilizaci podél příčné osy bude zajišťovat raketový motor, umístěný
v horní části. Na opačném konci jsou tříramenné vyklápěcí vzpěry mající
poskytnout sondě pevnou oporu po dosednutí na povrchu komety. K jejímu
povrchu bude modul fixován pomoci jakési harpuny, vystřelené ještě před dosednutím.
Jeho celková hmotnost je přibližně 100 kg.
Vědeckou výbavu modulu Philae tvoří následující přístroje:
1. APX (Alpha – proton X- ray spectrometer) pro určení složení prvků zastoupených v kometárním jádru.
2. COSAC (Cometary Sampling And Composition Experiment) dva plynové chromatografy a hmotové spektrometry pro výzkum plynových výtrysků.
3. MODULUS/Ptolemy (Methods of determining and Understanding Light elements from Unequivocal Stable isotope compositions) ke studiu složení a zastoupení prvků a organických molekul.
4.
SESAME ( Surface Electrical, Seismic and Acoustic Monitoring Experiment)
pro akustickou sondáž jádra komety v místě přistání, zjištění dielektrických
vlastností a monitoring prachových výtrysků.
5. MUPUS (Multi – Purpose Sensors for Surface and Subsurface Science) ke studiu fyzikálních vlastností komety.
6. CONSERT (Comet Nucleus Sounding Experiment By Radiowave Transmission) bude měřit elektrické charakteristiky materiálu kometárního jádra a vnitřních struktur.
7. ROMAP (RoLand Magnetic Field investigation and Plasma monitor) změří magnetické pole komety (bude – li nějaké) a jeho interakci se slunečním větrem.
8. CIVA/ROLIS (Comet Nucleus Infrared and Visible Analyser / Rosetta Lander Imaging system) multispektrální kamera pořídí snímky okolí přistání v různých oblastech spektra.
Letový profil mise Rosetta/Philae (plán z roku 2004)
Start
sondy Rosetta s pouzdrem Philae se úspěšně uskutečnil 02.03.2004 a setkání
s kometou 67/P Čurjumov – Gerasimenko v listopadu 2014. Cesta ke kometě
bude však složitá, ještě složitější, než předpokládal původní letový plán. Po
startu byla sonda vyslaná na meziplanetární dráhu víceméně kopírující orbitu
Země kolem Slunce. Po roce samostatného letu se setká se Zemí, jejíž gravitační
pole sondu vystřelí na mnohem protáhlejší dráhu sahající až k Marsu. S rudou
planetou se setká po dalším roce letu v únoru 2007 přičemž využije potenciálu
svého vybavení k dálkovému průzkumu. Gravitační pole Marsu vrátí Rosettu
zpět k Zemi, to se bude psát listopad 2007. Druhé setkání se Zemí bude
mít za následek zvýšení výstřednosti oběžné dráhy kolem Slunce, přičemž perihelium
zůstane v úrovni oběžné dráhy Země. Sondu uvidíme znovu – a naposledy o
další dva roky později, v listopadu 2009. Po tomto třetím setkání bude
Rosetta již dostatečně urychlena, vydá se směrem od Slunce až k oběžné
dráze Jupiteru, do vzdálenosti 5,2 AU od Slunce. Pro úspěšné setkání s kometou
bude důležité, aby se podařila korekce dráhy v polovině roku 2011, která
navede sondu k setkání s kometou o tři roky později. Celková délka
letu od startu k setkání s kometou se tak oproti původnímu scénáři
prodlouží o další dva roky. 
Plánovači
mise sondy Rosetta vyvinuli také velké úsilí, aby zaplnili dlouhé přeletové
údobí setkáními s tělesy, které nám poskytnou nové zajímavé informace.
V září 2008, mezi druhým a třetím setkáním se Zemí, Rosetta proletěla
kolem planetky 2867 Šteins (o průměru cca 5 km).
Přílet ke kometě a její výzkum z oběžné dráhy.
V
aféliu dráhy, ve vzdálenosti 5,2 AU od Slunce byl proveden korekční manévr,
který snížil rychlost přibližování ke kometě (zatím mimo dosah přístrojů), na
rychlost 25 m/sec. Úspěšnost manévru byla zcela závislá na měřeních a výpočtech
astronomů. Ve vzdálenosti 3,8 AU zahájila Rosetta přibližovací fázi. Kometa
byla tou dobou již na dohled a snímky pořízené v tomto období posloužily
pro zpřesnění parametrů oběžné dráhy a určení albeda jádra. Přibližně 90 dní
trvalo, než se sonda dostala do vzdálenosti tří set poloměrů jádra komety rychlostí
asi 2 metry za sekundu, kdy byla zahájena závěrečná fáze přiblížení. Během ní
byla získána podrobná data o velikosti jádra, jeho tvaru, rychlost rotace a
gravitační konstantě. Zlatým hřebem pozvolného přiblížení bylo navedení na oběžnou
dráhu ve vzdálenosti cca 60ti poloměrů jádra komety .
Podrobné mapování bylo zahájeno po přechodu na oběžnou dráhu o poloměru 25ti poloměrů jádra. Během této fáze zmapovala Rosetta přibližně 80 procent povrchu komety. Ke konci předběžného mapovacího cyklu byly vybrány možné přistávací oblasti modulu Philae.
Vlastní přistání na povrchu komety se mělo uskutečnit při těsném přiblížení k jádru komety na minimální vzdálenost přibližně jednoho kilometru. Při minimální rychlosti mateřské sondy měla být subsonda Philae (též SSP – Surface Science Package) uvolněna a rychlostí do 1,5 metru za sekundu měla zamířit k povrchu komety, zatímco Rosetta se měla vzdálit na vyšší oběžnou dráhu, která měla umožnit nepřetržitou komunikaci s přistávacím modulem a přenos dat na Zemi. Vysazení modulu Philae nakonec proběhlo trochu jinak (viz. výše).
Po
ukončení činnosti přistávacího modulu strávila Rosetta na orbitě další stovky
dní a společně s kometou se zvolna přiblížila ke Slunci, do perihélia oběžné
dráhy. Přitom byl monitorován vliv dopadajícího slunečního záření na aktivitu
plynových a prachových výtrysků. Zároveň bylo analyzováno chemické složení těchto
„jetů,“ jak se zahřívaly nižší a nižší vrstvy jádra, jakož i interakce těchto
výtrysků se slunečním větrem.
Mise sondy Rosetta byla bezesporu nejambicióznějším projektem ESA určeným pro výzkum nejmenších těles sluneční soustavy.
Jan Toman (popis z roku 2004) [upravil Aleš Holub podle skutečnosti v roce 2016]
Aktualizováno : 30.09.2016