Byla zařazena do programu Scout a jméno dostala podle mytického ptáka, který – jak známo – shořel a vždy znovu povstal ze svého popele. Přiléhavé pojmenování. Jde totiž o modifikovaný přistávací modul, který už byl téměř dokončen jako Mars Surveyor 2001 Lander, když byl roku 2000 let zrušen; výrobce ho však prozíravě uložil do klimatizovaného skladu.
V oné době NASA utrpěla těžký šok: v září 1999 družice Mars Climate Orbiter shořela v Marsově atmosféře kvůli navigační chybě, způsobené ostudnou záměnou metrických a anglických měrových jednotek při předávání dat. A krátce poté havaroval Mars Polar Lander v závěru přistání v bodě 76,1° j.š., 195,3° v.d. zřejmě pro softwarovou chybu...
Phoenix z Phoenixu
V srpnu 2003 NASA staronový projekt opět oživila na návrh Arizonské univerzity ve Phoenixu, které svěřila celý vědecký program. JPL koordinovala vývoj sondy a tentokrát neponechala nic náhodě (hm, rozpočet se také vyšplhal na 420 milionů dolarů). Výrobce Lockheed Martin Space System řadu subsystémů modifikoval (vč. kostry sondy a hydrazinových brzdicích motorů) nebo nově postavil – mj. hlavní počítač s mikroprocesorem Rad6000, systém zásobování elektrickou energií, telekomunikační systém, systém řízení (údajně zaručeně bezpečného) přistání a důmyslné termoregulační zařízení. Managerem projektu je Edward Sedivy (absovent Coloradské univerzity r. 1979, od 1984 u Lockheedu). Po revizi harmonogramu bylo v červnu 2005 definitivně rozhodnuto: Phoenix poletí!
7. května sondu přivezl z Colorada na Floridu armádní letoun C-17 a v Kennedyho kosmickém středisku začaly závěrečné přípravy. Do konce května byly dokončeny všechny hlavní testy. V červnu a červenci přípravy pokračovaly souběžně s kompletací nosné rakety.
Ke startu byla zvolena osvědčená třístupňová raketa Delta II 7925, vyrobená firmou United Launch Alliance v Denveru. Její ustavení na rampě 17-A letecké základny Cape Canaveral probíhalo prakticky souběžně s téměř stejným nosičem pro sondu Dawn. 1. stupeň o délce 26 m (s motorem Rocketdyne RS-27A na kerosin a kapalný kyslík o tahu 890 kN) byl uveden do vertikální polohy třetí červnový týden a vzápětí na něj bylo navěšeno devět startovních (vzletových) bloků GEM na pevné pohonné látky. Každý je dlouhý 13 m a vyvíjí tahovou sílu 446 kN. Šestimetrový 2. stupeň s restartovatelným motorem Aerojet AJ 10-118K na skladovatelné hypergolické pohonné látky (aerozin-50 a oxid dusičitý) o tahu 44 kN byl připojen v prvních dnech července. Poslední stupeň o délce 2 m (vybavený motorem Thiokol Star-48B na pevné pohonné látky o tahu 66 kN) byl nejprve spojen se zakrytovanou sondou a teprve dva týdny před startem instalován na vrcholek rakety, která tak dosahuje délky 39,6 m a hmotnosti 231 tuny.
Ze Země...
Na startovním komplexu tedy bylo od konce jara velmi živo. Jenže dobu vhodnou pro let ze Země na Mars nelze v praxi zvolit zcela libovolně: jsou období, v nichž jsou nároky na rychlost udělenou sondě při startu minimální, a těm říkáme startovní okna. Z energetického hlediska nejvhodnější postavení obou planet se opakuje každých 26 měsíců, vždy, když se obě planety k sobě přiblíží. Kolem tohoto data lze k přeletu využít tzv. Hohmannovu přechodovou dráhu, která má tvar půlelipsy, tečně přiléhající k drahám obou planet. V praxi je ovšem výpočet poněkud složitější a je nutno přihlédnout i k dalším požadavkům.
Phoenix poletí po tzv. dráze II. typu, po níž vykoná oblouk o něco delší než 180 stupňů kolem Slunce – let bude sice o něco delší, avšak taková dráha umožní dosáhnout plánovaného místa přistání v severní polární oblasti přímo z přeletové dráhy. Letos dojde k největšímu přiblížení na vzdálenost 88 milionů kilometrů 18. prosince a startovní okno trvá od 3. do 24. srpna. Každý den mají technici dvě krátce po sobě následující příležitosti. Poprvé je to 3. srpna od 5 h 35 min ráno místního času (9:35 UT), příp. v dalších dnech vždy o chvilku dřív. Po 84 minutách letu bude sonda na meziplanetární dráze a oddělí se od posledního stupně. Následovat bude téměř deset měsíců, během nichž sonda urazí dráhu kolem 680 milionů kilometrů. Pokud se podaří vzlétnout v prvních dvou týdnech, počítá se s přistáním 25. května příštího roku, jestliže až v posledním týdnu startovního okna, tak 5. června 2008. V té době se už bude Mars půl roku od Země vzdalovat, takže nás bude dělit propast 276 milionů kilometrů, kterou rádiový signál překoná za 15,3 minuty.
...na Mars
Technika přistání je odlišná, než např. u obou vozítek, které využívaly airbagy a je obdobná přistání prvních Vikingů v roce 1976. Phoenix se po několika plánovaných korekcích dráhy k planetě přiblíží rychlostí 5,7 km/s, kterou vstoupí do řídké atmosféry ve výšce 125 km.
První snížení rychlosti obstará aerodynamický štít. Maximální tepelné zatížení dosáhne 46 W na čtvereční centimetr při maximálním přetížení kolem 9 G. Při rychlosti 1,7x vyšší než je rychlost zvuku přijde ve výšce asi 12,6 km na řadu padák o průměru asi 9 metrů, který sníží rychlost na podzvukovou. V této fázi se rozloží tři přistávací vzpěry a zapojí se přistávací radar. Ve výšce kolem 0,9 kilometru při rychlosti asi 55 m/s bude půl minuty před dosednutím naplno zapojeno 12 hydrazinových motorků o tahu po 293 N, aby upravily vertikální rychlost z 200 km/h na nejvýše 8,6 km/h (2,4 m/s) ve výšce asi 12 metrů; vypojeny budou až při dosednutí. To vše je nutno zvládnout během šesti a půl minuty a přistát měkce s přesností do deseti kilometrů!
První a poslední soly
Počká se asi půl hodiny, až se usadí prach a sonda „oživne“. Nejprve budou vyklopeny panely slunečních baterií a vysunuta tyč se stereoskopickou kamerou. Následovat bude aktivizace mechanického manipulátoru – ramene s lopatkou, který dosáhne do vzdálenosti 2,35 m a může proniknout do hloubky 0,5 m. Během dvou marsovských dnů (tzv. solů, které jsou o 2,7% delší než na Zemi) by měla být zprovozněna všechna zařízení a přístroje. Nejpozději 10. sol začne výzkum „na ostro“, který by měl trvat nejméně 90 solů.
Phoenix má přistát na severní polokouli Marsu, kde 9. prosince našeho kalendáře začne jaro, takže v době přistání (řekněme 25. 5. 2008) se bude jaro chýlit ke konci. Můžeme proto očekávat, že v okolí sondy se bude teplota pohybovat v rozmezí od –73 °C do –33 °C. Na severní polokouli začne letní období 25. června 2008, kdy nastane slunovrat. Protože výzkum potrvá nejméně do poloviny místního léta, budou teploty pozvolna vyšší, ale nepřesáhnou –10°C.
Místo přistání leží v arktické krajině Vastitas Borealis v rozmezí 65 až 72 rovnoběžky, avšak souřadnice dosud nebyly pevně určeny. V posledním roce sondy pracující na oběžné dráze kolem Marsu ukázaly, že původně uvažovaná oblast je plná balvanů do velikosti až 40 cm a bylo nutno hledat novou. V současnosti je favorizováno údolí asi 50 km široké a 250 m hluboké se souřadnicemi 68,35° s.š., 233,0° v.d. ; poslední slovo však ještě nepadlo, takže v úvahu přicházejí i lokality kolem 66,75° s.š., 247,6° v.d. a 71,20° s.š., 253,0° v.d.
Na rozdíl od vozítek Spirit a Opportunity nelze předpokládat, že by sonda pracovala déle než 140 solů. Je odkázána na sluneční energii a s klesající polední výškou Slunce nad horizontem se přiblíží i – tentokrát neodvratný – konec Phoenixu. Možná už v říjnu, možná až počátkem prosince... ale krátce po podzimní rovnodennosti nastane v místě přistání polární noc. Na Zemi v té době budeme slavit vánoční svátky 2008 a hned po nich dokončovat letový exemplář nové, velké pojízdné laboratoře Mars Science Laboratory .
Konstrukce sondy
Phoenix má celkovou hmotnost při vzletu 670 kg; během meziplanetárního přeletu je ukryt v tzv. služebním modulu kuželového tvaru o průměru 2,84 m a výšce 1,74 m zajišťujícím obsluhu sondy a vybaveným výklopnými panely slunečních baterií o rozpětí 3,6 m, řídicím systémem, telekomunikačním systémem pracujícím v pásmu X (8 GHz), přes anténu s malým a anténu se středním ziskem, korekčními motory a stabilizačním systémem, využívajícím pro stanovení orientace hvězdnou kameru. Čtyři hydrazinové motorky pro korekce dráhy mají tah po 15,6 N, čtyři pro orientaci v prostoru mají tah po 4,4 N.
Pod aerodynamickým krytem je vlastní výsadkový modul o celkové hmotnosti 350 kg, který má po přistání a uvedení do pracovní polohy výšku k vrcholku tyče s meteorologickými přístroji 2,2 m (nebo o maličko míň, podle deformace při přistávání). Je vybaven dvěma dvoumetrovými panely slunečních baterií o rozpětí 5,5 m se sběrnou plochou 4,2 m2, dobíjejícími lithiové akumulátorové baterie s kapacitou 25 Ah. Panely mají neobvyklou kruhovou kostru a fotočlánky se až na povrchu rozevřou jako vějíře. Základní blok má průměr 1,5 m a robotický manipulátor dosáhne do vzdálenosti přes dva metry.
V rámci planetární ochrany byla sonda před startem tak dobře vyčištěna, jak jen to umíme a částečně prošla i sterilizací suchým teplem (50 hodin při teplotě 110 až 146 °C). Celkové biologické zatížení nesmělo překročit cca 300 tisíc bakteriálních spor, při tom na metr čtvereční povrchu nesmělo připadnout víc než 300 spor. Speciální pozornost byla věnována lopatce, která nejvíc přijde do kontaktu se zkoumaným povrchovým materiálem – u ní nesmělo biologické zatížení překročit pouhou jedinou sporu na metr čtvereční! Až do příletu k Marsu zůstane zabalena do folie. Dráhovými korekcemi je zajištěno, že poslední stupeň nosné rakety planetu mine a nemůže na ni dopadnout...
Základní cíle výpravy
Výprava má tři základní cíle. Prvním je studium vývoje vodního prostředí v historii planety jako klíčové otázky k porozumění změnám klimatu v minulosti. V současnosti je Mars od Slunce o 20% dál, když je na severní polokouli léto než v zimním období, takže klima na severní polokouli jsou výrazně chladnější. Díky periodickým změnám heliocentrické dráhy však arktická oblast během 50 tisíc let nejspíš prochází i teplými zimami. V důsledku kolísání sklonu rotační osy se klima mění v časové škále stovek tisíc až několika milionů let.
Druhým cílem je pátrání po biologicky příhodných zónách, které mohou existovat na rozhraní ledu a pevné půdy. Třetím je studium působení Arktidy na celkové počasí na Marsu a jeho změny.
Soubor sedmi vědeckých přístrojů Phoenixu z několika univerzitních pracovišť má hmotnost 55 kg a obsahuje vybraná zařízení jak z neúspěšné sondy Mars Polar Lander, tak z následující neuskutečněné expedice.
Robotický manipulátor (RA)
Hned několik experimentů je přímo závislých na spolehlivé funkci mechanické „ruky“, na jejímž konci je pohyblivá lopatka, zakončená ostrými zuby a škrabkou. Podle propozic JPL ji vyrobila malá firma s pěti zaměstnanci Alliance Spacesystems LLC v Pasadeně, která mj. připravila podobné systémy i pro vozidla MER. Letový exemplář má přes tisíc součástí a stál kolem 5 milionů dolarů. Vědeckým šéfem experimentu je R. Arvidson z Washingtonovy university v St. Louis.
Tyčový manipulátor s ohybovým kloubem uprostřed je schopen dosáhnout do vzdálenosti 2.35 m od základního bloku sondy a proniknout předpokládaným permafrostem do hloubky až půl metru. Hlavním úkolem je provést předběžný průzkum vzorků v okolí Phoenixu o ploše přes osm čtverečních metrů a vybrané z nich dopravit v „lopatce“ k dalším přístrojům.
Má čtyři stupně volnosti (vpravo – vlevo, nahoru – dolů, dopředu – dozadu, rotace) a využitím slitin titanu a hliníku hmotnost nepřekročila 9,7 kg. Podobné, o něco křehčí zařízení pro Mars Polar Lander bylo roku 2000 testováno v Death Valley, kde po čtyřech hodinách vyrylo asi čtvrtmetrovou brázdu.
Přímo nad lopatkou je instalována barevná kamera (Robotic Arm Camera RAC), která je schopná pořídit detailní kontrolní záběry odebíraných vzorků a jejich okolí s rozlišením jednotlivých zrnek sypkého materiálu. Je vybavena dvojitým Gaussovým vysoce světelným objektivem s klasickými detektory CCD, přičemž lze kameru motoricky zaostřit v širokém rozmezí od 11 mm do nekonečna. Na minimální vzdálenost pracuje tedy jako mikroskop s rozlišením 23 µm (mikrometrů) na pixel, což je mnohem lepší než tlouštka lidského vlasu. Vzorek je nasvětlován dvěma lampami, vybavenými červenými, modrými a zelenými LED diodami.
Na konstrukci kamery spolupracovala Arizonská univerzita s německým Ústavem Maxe Plancka pro aeronomii (od r. 2004 Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung) v Katlenburg-Lindau pod vědeckým vedením dr. H.-U. Kellera. Nezbývá než připomenout, že první model tohoto zařízení vznikal kdysi v Praze na Albertově v pracovně dr. Petra Jakeše...
Výzkum půdy na Marsu
Velmi zajímavý soubor experimentů čeká na odebrané částice půdy do velikosti až 16 µm (mikrometrů) v komplexu čtyř analyzátorů MECA (Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer). Už na robotické ruce bude možno stanovit elektrickou a tepelnou vodivost materiálu. Nejzajímavější výsledky se očekávají z miniaturní chemické laboratoře se čtyřmi jednorázově použitelnými komůrkami, kde k marsovskému materiálu bude přidána voda (přivezená ze Země) a po promíchání bude soustava elektrochemických senzorů měřit přítomnost rozptýlených iontů v roztoku, mj. sodík, hořčík, chlor, vápník a zjišťovat další chemické vlastnosti roztoku. Důležité je stanovení kyselosti (stupně pH) a slanosti vody i obsah oxidantů, které by byly schopny zničit veškerý život. Cílem je mj. ověřit, zda je vůbec možné, aby mohlo na Marsu vzniknout vodní prostředí, ve kterém by mikroorganismy mohly žít a růst.
Další informace budou získány prostřednictvím optického mikroskopu s rozlišením 4 mikrometrů/pixel při zorném poli několik milimetrů a dále pomocí mikroskopu atomové síly s rozlišením až 10 nanometrů (mikroskopie atomové síly – Atomic Force Microscopy, AFM – je moderní experimentální metoda, umožňující snadnou charakterizaci povrchů pevných látek; patří mezi rastrovací metody podobně jako tunelová mikroskopie a poprvé bude použita na jiné planetě). Postupně lze takto analyzovat deset různých vzorků.
Soubor MECA byl původně připraven pro expedici roku 2001 týmem JPL pod vedením dr. M. Hechta. Mikroskop atomové síly FAMARS vyvinulo švýcarské konsorcium v čele s univerzitou v Neuchatelu, optický mikroskop University of Arizona, chemický analyzátor Orion vyrobila Thermo Electron Corp. se Starsys Research Corp. a měřič elektrické a termální vodivosti Decagon Devices, Inc.
Dalším přístrojem, který bude očekávat krmení z mechanické ruky, je pyrolytický analyzátor TEGA (Thermal and Evolved Gas Analyzer), který tvoří kolona osmi pyrolytických komůrek o průměru 2 mm a délce 10 mm pro zahřívání vzorků půdy z různých hloubek (každá pouze pro jedno použití). Po naplnění se komora automaticky uzavře a začne její ohřev postupně až na víc než 1000 °C, uvolněné plyny budou vedeny do hmotového spektrometru pro analýzu těkavých složek půdy, jehož citlivost je pouhých 10 částic na miliardu. Bude se měřit množství uvolněných vodních par a oxidu uhličitého, stanovovat obsah vodního ledu a mineralogické složení vzorků; ze vzájemného poměru některých izotopů bude možné usuzovat i na minulost zkoumaných vzorků. První vzorek, který bude na Marsu analyzován, si sonda poveze ze Země jako kontrolní a srovnávací: je to umělý keramický materiál „Macor“ obsahující minimální množství uhlíku. Na experimentu se podílejí dvě americké univerzity: v Arizoně (Phoenix) a Texasu (Dallas), obdobné zařízení bylo i na neúspěšném Mars Polar Landeru.
Oči Phoenixu
tvoří stereoskopický televizní systém (SSI, Surface Stereo Imager) pracující v rozsahu vlnových délek 440-1100 nm se stejnou rozlišovací schopností, jakou má lidský zrak – na nosníku ve výšce dva metry nad povrchem je dvojice kamer ve vzdálenosti 300 mm (ohnisková dálka 38 mm, světelnost f/20, zorné pole 16.8°×16,8°, úhlové rozlišení 0,25 mrad/pixel, expoziční časy 0 až 30 s), každá s detekčním prvkem CCD s pracovním polem 1024x1024 pixelů. Výběr z 12 různých barevných filtrů umožní získávat nejen pohledy na arktickou krajinu, jako bychom sami stáli uprostřed ní, ale i panchromatické a infračervené záběry pro geologickou interpretaci a sledování atmosférických změn. Na systému spolupracovali odborníci Arizonské univerzity s týmem Institutu Maxe Plancka pro výzkum sluneční soustavy.
Během závěrečné fáze sestupu sondy atmosférou bude zapojen mikrofon registrující okolní zvuky až do přistání a sestupová kamera pro pořizování snímků povrchu MARDI (Mars Descent Imager) s rozlišením lepším, než je možné z oběžné dráhy. Původně se plánovalo pořízení celé série asi dvaceti širokoúhlých snímků od výšky 8 km níž; poslední plány předpokládají, že bude získán jen jediný záběr. S činností na povrchu se nepočítá. Kamera firmy Malin Space Science Systems má hmotnost pouhých 0,48 kg a spotřebu 3 W; expoziční doba je 4 milisekundy a zorné pole asi 70 stupňů.
Podobně jako jeho předchůdci je i Phoenix rovněž vybaven meteorologickou stanicí (Meteorological Station, MET) pro sledování denních i sezónních změn počasí. Na tyči dlouhé 1,2 m jsou ve třech výškových úrovních nad povrchem instalována čidla teploty, tlaku a anemometry pro měření síly a směru větru. Specifickým přístrojem je laserový detektor (lidar – Laser Imaging Detection and Ranging) pro měření obsahu prachu, vodní páry a ledu v atmosféře do výšky až 20 km.
O tuto část projektu se postarala Kanadská kosmická agentura: výzkum vede York University v Torontu (Ontario), přístroje postavily Space Missions Group of MDA Ltd. v Bramptonu (Ontario), Aarhus University v Kodani (Dánsko) a Finský meteorologický ústav. Lidar je dílem firmy Optech Inc. z Toronta - poznamenejme, že pro neúspěšnou sondu Mars Polar Lander byl lidar připraven ruskými odborníky, kteří však laserovou aparaturu zakoupili v Praze...
Marťanská knihovna
Díky neúnavné propagační aktivitě Planetární společnosti bylo připraveno speciální DVD s poselstvím, které je však mnohem víc určeno nám pozemšťanům než Marťanům. Disk, který byl v dubnu t.r. instalován na spodní ploše povrchu sondy je upraven tak, aby byl reprodukovatelný i za stovky a tisíce let v budoucnosti. Kromě jmen asi čtvrt milionu zájemců ze sedmi desítek zemí celého světa, kteří takto chtěli být „zvěčněni“, obsahuje „první knihovnu na Marsu“ – multimediální soubor literatury, hudby a výtvarného umění, věnovaný Marsu. Kromě map s kanály od P. Lowella jsou na DVD texty H. G. Wellse (vč. záznamu legendárního hlasu Orsona Wellese), R. Bradburyho, I. Asimova, C. Sagana a A. C. Clarkea...
V příštích dnech, týdnech a měsících se rozhodne, zda knihovnu (samozřejmě spolu s celou sondou Phoenix) dopravíme na Mars...
Další informace o sondě Phoenix:phoenix.lpl.arizona.edu |
O autorovi:
Ing. Marcel GrünNarodil se 20. listopadu 1946 v Chebu. Vystudoval fakultu strojní ČVUT a pokračoval pedagogikou. Věnuje se zejm. výuce a popularizaci astronomie, kosmonautiky a kosmického výzkumu. Na svém kontě má několik knih a byl oceněn i jako popularizátor vědy; od r. 1999 nese jeho jméno planetka č. 10443. Desítky let působil v různých funkcích v České astronomické společnosti, nyní je mj. členem Rady pro kosmické aktivity při MŠMT, předsedou Sdružení hvězdáren a planetárií a předsedou dozorčí rady České kosmické kanceláře, u jejíhož zrodu stál. |