Kaguya

Alternativní názvy	SELENE
Označení COSPAR	2007-039A
Stát	Japonsko
Start	2007-09-14
Cíl	Měsíc

Začátek 21. století přinesl několik zajímavých projektů sond ze států, které se dříve planetárnímu výzkumu nevěnovaly. Stranou nezůstal ani nejbližší cíl - Měsíc. Japonsko sice již v roce 1990 vypustilo malou družici Měsíce Hiten, na rok 2006 však připravovalo ambiciózní program, který byl kombinací několika družic a přistávacího modulu. Mise byla označena SELENE. Start se uskutečnil po mnoha odkladech až 2007-09-14, to už ale měla sonda pojmenování Kaguya.

Kaguya alias SELENE [=Selenological and Engineering Explorer] je družice Měsíce připravená Japonskou kosmickou agenturou JAXA. Hlavním cílem mise je získat údaje o přítomnosti chemických prvků v globálním měřítku, o mineralogickém složení, topografii, geologii, gravitačním poli a plazmovém prostředí v okolí Měsíce. Těchto údajů má být využito při vývoji zásadních technologií budoucího lunárního výzkumu a využití místních zdrojů.

Mise zahrnuje tři družice - základní satelit s většinou vědeckého vybavení, subdružici VRAD [=VLBI [=Very Long Baseline Interferometry] Radio], využívající metodu interferometrie dvou vzdálených rádiových přístrojů a konečně retranslační subsatelit, který je určen k příjmu signálů v dobách, když hlavní satelit pohybující se za Měsícem není v rádiovém kontaktu se Zemí.

Konstrukce

Základní družice je tvořena tělesem tvaru hranolu o rozměrech 2.1x2.1x4.2 m, který je rozdělen na 2.8 m dlouhý horní hlavní přístrojový modul, ve kterém je umístěna většina vědeckých přístrojů a 1.2 m dlouhý spodní pohonný modul. Jedno křídlo panelu slunečních baterií je připevněno k boční straně sondy. Na stěně kolmé ke stěně, kde se nachází sluneční baterie, je namontována vysokozisková parabolická anténa o průměru 1.3 m. Z vrchní podstavy vystupuje 12metrová tyč magnetometru a z rohů horní a dolní podstavy hlavního modulu vyčnívá čtveřice antén o délce 15 m, které jsou součástí sondážního radaru. Celková suchá hmotnost sondy obnáší 1720 kg, pohonné látky představují 795 kg.

Elektrická energie se vyrábí v solárních bateriích o ploše 22 m², které jsou sestaveny z článků na bázi GaAs/Ge. Baterie vyrábějí 3486 W a dobíjejí čtyři NiH₂ akumulátorové baterie 50 V, 35 Ah. Komunikace se děje v pásmech S a X. Probíhá přes vysokoziskovou anténu ve směru sonda-Země rychlostí 10 Mb/s v pásmu X (pozemní přijímací anténa o průměru 60 m) nebo rychlostí 40 nebo 2 kb/s v pásmu S. Kapacita palubního záznamníku představuje přibližně 10 Gb. Aktivní regulace teploty na palubě sondy je zajištěna soustavou radiátorů, žaluzií a topných článků.

Hlavní motor sondy o tahu 500 N používá dvousložkové kapalné pohonné látky (NTO/N₂H₄) a je zamontován do pohonného modulu. Orientaci na dráze udržuje 12 raketových motorků o tahu 20 N na dvousložkové KPL (bočení a klonění) a 8 mikromotorků o tahu 1 N na jednosložkové KPL (klopení). Sonda je stabilizována ve třech osách. Poloha je kontrolována čtyřmi slunečními čidly, dvěma inerciálními měřícími jednotkami IMU [=Inertial Measurement Units], dvojicí hvězdných čidel. K udržování orientace se kromě výše uvedených reaktivních motorků používají i čtyři silové setrvačníky 20 Nms.

Na horní podstavě přístrojového modulu jsou v počáteční fázi letu upevněny dva subsatelity - VRAD a Retranslační subsatelit.

Subsatelit VRAD

Subsatelit VRAD má tvar hranolu s osmiúhelníkovitou podstavou o rozměrech přibližně 1x1x0.65 m a hmotnosti 50 kg. Ze středu horní podstavy vystupuje dipólová anténa. Satelit je stabilizovaný rotací 10 ot/min a nemá žádnou pohonnou jednotku. Elektrickou energii 70 W zabezpečuje soustava fotovoltaických článků na bázi Si pokrývajících boční stěny. Sluneční baterie dobíjejí NiMH akumulátor 13 Ah, 26 V. Subdružice nese jeden rádiový zdroj v pásmu X a tři vysílače v pásmu S. Společně s druhou subdružicí umožňuje pozemní pozorování metodou VLBI. Družice bude uvolněna na polární dráhu ve výšce 100x800 km a předpokládá se, že přežije na orbitě více než jeden rok.

Retranslační subsatelit

Retranslační subsatelit se podobá satelitu VRAD. Má tvar hranolu s osmiúhelníkovitou podstavou o rozměrech přibližně 1x1x0.65 m a hmotnosti 50 kg. Ze středu horní podstavy vystupuje dipólová anténa. Na horní a dolní podstavě jsou dále umístěny dvojice malých antén pro pásmo S. Satelit je stabilizovaný rotací 10 ot/min a nemá žádnou pohonnou jednotku. Elektrickou energii 70 W zabezpečuje soustava fotovoltaických článků na bázi Si pokrývajících boční stěny. Sluneční baterie dobíjejí NiMH akumulátor 13 Ah, 26 V. Subdružice nese jeden rádiový zdroj v pásmu X a tři vysílače v pásmu S. Jejím úkolem je mj. přenášet signál pro Dopplerovské měření, sloužící k průzkumu gravitačního pole, mezi základním satelitem a pozemní stanicí v případě, kdy nebude hlavní družice ze Země viditelná. Družice bude uvolněna na dráhu ve výšce 100x2400 km a předpokládá se, že přežije na orbitě více než jeden rok.

Vědecké vybavení

Hlavní modul nese 13 vědeckých přístrojů:

vícepásmový zobrazovač;
kameru na snímkování terénu;
TV kameru s vysokým rozlišením;
spektrální profilovač;
rentgenový spektrometr;
spektrometr v pásmu gama;
sondážní radar;
laserový výškoměr;
magnetometr;
plazmový zobrazovač;
spektrometr nabitých částic;
analyzátor plazmy
vybavení pro rádiové experimenty.

Předstartovní přípravy a průběh letu

Přípravy letu provázely dlouhodobé potíže. Počínaje komplikovaným technickým vývojem a konče pozdržením startu, které způsobila havárie nosné rakety H-II při jiné příležitosti. Nicméně i pro tento projekt se nakonec čas naplnil a v polovině července 2007 už mohla JAXA oznámit první konkrétní termín vzletu. Při této příležitosti bylo sondě chystané zatím pod neutrálním označením SELENE [=Selenogical and Engineering Explorer] přiděleno, jak už to u Japonců bývá zvykem, poetičtější jméno Kaguya. Pro ty, kteří se nevyznají v japonském kulturním prostředí, bylo upřesněno, že Kaguya je jméno princezny z japonské legendy.

V tiskové zprávě z 2007-07-13 bylo stanoveno přesné datum na 2007-08-16 v 09:30:48 JST (Japan Standard Time), nebo-li 2007-08-15 v 00:30:48 UT. Startovní okno trvalo až do 2007-08-23, další oznámené se pak nacházelo v intervalu mezi 2007-09-13 a 2007-09-21. Jako nosič byl stanoven 13. exemplář rakety H-IIA (H-IIA F13) a místo vzletu Yashinobu Launch Complex na kosmodromu Tanegašima (Tanegashima Space Center).

Stanovené datum ale neplatilo příliš dlouho. Při pozemních zkouškách satelitu WINDS [=Wideband Interneworking Test and Demonstration Satellite] bylo zjištěno, že u instalovaného kondenzátoru byla zapojena opačná polarita. JAXA okamžitě ověřovala, jestli se podobná závada nevyskytuje na palubě sondy KAGUYA, která má stejného výrobce. Skutečně tomu tak bylo a opačně zapojený kondenzátor byl nalezen u obou malých subsatelitů. Kondenzátory bylo nutno vyměnit.

Podle další tiskové zprávy z 2007-07-20 se výrobce Mitsubishi Heavy Industries a provozovatel JAXA [=Japan Aerospace Exploration Agency] okamžitě dohodly na dalším odkladu startu. Nové datum startu nebylo prozatím oznámeno, a všichni čekali, jestli se technikům podaří opravu zvládnout tak, aby raketa vzlétla alespoň v náhradním zářijovém termínu. Ani další zpoždění by patrně neznamenalo žádné komplikace, protože prakticky stejné podmínky pro start se otevírají každý měsíc. Problémy ale mohly nastat z hlediska provozu kosmodromu, protože japonská pravidla stanoví, ve kterých ročních obdobích smí být start (jakýkoliv) proveden, a kdy jsou vzlety raket zakázané.

Mitsubishi zvládlo opravy subsatelitů naprosto hladce a tak již 2007-08-15 mohlo vedení mise oznámit, že start měsíční sondy Kaguya se uskuteční dne 2007-09-13 v 10:35:47 JST (místního času), tj. v 01:34:47 UT. 2007-09-11 bylo ale sděleno, že i toto datum neplatí a znovu bude nutné začátek cesty posunout přibližně o 24 hodin. Tentokrát ale nebyl viníkem technický stav aparátu ale banální špatné počasí. Tento odklad se ukázal už být ale opravdu posledním a po něm události nabraly rychlý spád.

2007-09-13 v 09:40 UT bylo na základě příznivé meteorologické zprávy rozhodnuto, že sestava nosné rakety H-IIA (výrobní číslo 13) a sondy Kaguya může opustit montážní halu VAB [=Vehicle Assembly Building] a lze ji převézt na startovní rampu. Transport na vzdálenost přibližně 500 m byl zahájen až po západu slunce v 13:32 UT (21:32 místního času). Konečného stanoviště bylo dosaženo přibližně o půl hodiny později a okamžitě se rozběhly plánované předstartovní oparace.

V 16:40 UT (01:40 místního času) byly zkontrolovány všechny aspekty, které by mohly mít vliv na zrušení letu. Bylo prověřeno, že nosič, sonda, startovní zařízení, sledovací a řídící systém jsou bez závad a počasí je příznivé. Po tomto konstatování byl vydán souhlas s naplněním nádrží pohonnými látkami. V 16:43 UT se rozběhly závěrečné činnosti. V okruhu 400 m od stojící rakety byl vyhlášen zákaz vstupu.

V 18:00 UT bylo zahájeno podchlazování dopravního zařízení, která čerpá do nádrží rakety kapalný kyslík a kapalný vodík. O hodinu později byl zakázaný okruh rozšířen na poloměr 3000 m. V 18:40 UT byla dokončena zkouška řídícího sytému, při níž byly vychylovány motory.

V 20:15 UT bylo oznámeno, že se v nádržích nachází plné množství pohonných látek. Zkoušky zařízení pokračovaly. Ve 20:39 UT bylo prověřeno spojení mezi nosnou raketou a pozemním řídícím stanovištěm.

2007-09-14 v 00:24 UT dospělo odpočítávání do závěrečné fáze. Potřetí bylo rozhodováno o tom, zda mají operace pokračovat. I tentokrát padlo očekávané "Go!". V 00:31 UT ukazoval countdown hodnotu T-60 min a i nadále pokračoval bez potíží.

Poslední meteorologická zpráva uváděla, že nad kosmodromem je jasno, vane východo-jiho-východní vítr 5.9 m/s a teplota vzduchu činí 29.8°C.

V 01:27 UT v čase T-4 min se rozběhla automatická startovní sekvence, která ukázala nulu 2007-09-14 v 01:31.01 UT (10:31:01 místního času). Nosná raketa se odlepila od rampy a elegantním obloukem zamířila k nebi. Vzlet byl naprosto čítankový. Úkol nosné rakety skončil v čase 02:16 UT, tj. 45 min 34 s po odpoutání od země, kdy telemetrie ohlásila dosažení stanovené dráhy a oddělení sondy Kaguya od zbytku nosiče.

Uvolněná sonda musela nejprve zaujmout letovou konfiguraci. Znamenalo to především rozložit křídlo fotovoltaických článků a vyklopit parabolu vysokoziskové antény. Anténa byla aktivována v 09:52 UT. Operaci sledovala kamera instalovaná na povrchu kosmického plavidla. Obrázky dorazily na Zemi se zpožděním v 13:53 UT.

Panel solárních článků se odklopil už krátce po separaci sondy v 02:44 UT. Úspěch operace byl zaregistrován nejprve signálem z telemetrie a indikován nárůstem generované energie a posléze v 14:13 UT byl potvrzen snímkem z palubní kamery.

Nosná raketa umístila sondu na oběžnou dráhu kolem Země, na níž musela po nějakou dobu zůstat. Doba před odletem k Měsíci měla být věnována mj. několika úpravám dráhy. První takový manévr byl naplánován na 2007-09-15 ve 20:12 UT. Účelem korekce označené ΔVc1 bylo opravit případnou chybu v činnosti nosné rakety a změnit rovinu oběžné dráhy. Operace proběhla bez potíží a po jejím skončení sdělila JAXA, že se těleso pohybuje po dráze ve výšce 956 až 232782 km s periodou oběhu 4 dny 23 hodin a 37 minut. I po prvním motorickém manévru zůstávala sonda v dobré kondici.

Druhý korekční manévr ΔVa1 se uskutečnil 2007-09-16 ve 23:00 UT a sloužil k doladění dráhy po ΔVc1. "a" v označení manévru znamená, že k němu došlo v apogeu (místě dráhy nejvíce vzdáleném od Země). Ze zveřejněných parametrů po skončení operace (výška 924 až 232731 km, perioda 4 d 23 h 33 min) vyplývá, že byla sonda mírně přibržděna.

Třetí motorický zásah byl naplánován na 2007-09-19 v 00:52 UT. Korekce ΔVp1 měla za účel dále upravit dobu oběhu tělesa na dráze kolem Země. Tentokrát byl impuls proveden ve směru letu a apogeum se prakticky přiblížilo až k oběžné dráze Měsíce kolem Země. Hlavní parametry dráhy byly po vyhodnocení v řídícím středisku následující - výška 1039 až 377809 km, doba oběhu 9 d 23 h 31 min. Telemetrická data tentokrát přišla přes stanici DSN [=Deep Space Network] v Goldstone, provozovanou NASA, a potvrdila, že se sonda stále nachází v dobrém stavu.

Motorickým zásahům na geocentrické dráze ale ještě nebyl konec. Další manévr se uskutečnil 2007-09-19 v 19:59 UT. Korekce ΔVc2 měla dále synchronizovat oběh sondy s pohybem Měsíce. Oproti předchozí změně nebyla tato úprava už tak razantní. Oznámená dráha ležela ve výšce 1055 až 379196 km nad Zemí a jeden oběh trval 10 d 0 h 48 min.

Poslední úprava dráhy letu na geocentrické dráze byla připravena na 2007-09-29, tedy prakticky po celém jednom oběhu Země. Manévr označený ΔVp2 byl klasifikován jako úprava oběžné periody a byl zahájen v 02:58 UT. Parametry zveřejněné po jeho provedení a po kontrole nové trajektorie hovořily o dráze ve výšce 2243 až 378132 km a době oběhu 10 d 0 h 55 min. Telemetrie přijatá sledovací stanicí Usuda potvrdila setrvalý výborný stav celé sondy. Další zážehy motoru už měly navádět Kaguyu do zóny gravitačního panství Měsíce.

2007-09-29 se také uskutečnil první přenos televize s vysokým rozlišením HDTV [=High Definition Television] z rekordní vzdálenosti od Země. Televizní obraz v podobné kvalitě dorazil do pozemských přijímačů zatím jen z paluby raketoplánu, případně z mezinárodní kosmické stanice ISS. Tato plavidla se ale pohybují nad zemským povrchem jen o něco dále než 300 km. Kaguya má ve svém vybavení rovněž kameru stejných parametrů a v rámci zkoušek provozu pořídila z výšky 110000 km krátký "šot", na němž byl zobrazen srpek Země. Kamera začala snímat otáčející se zeměkouli v 12:46 UT v osminásobném zrychlení (tzn. osm minut ve skutečnosti bylo stlačeno na 1 minutu záznamu). Do stanice Usuda dorazil záznam přibližně s 24 hodinovým zpožděním a následně byl zpracován japonskou televizní společností NHK.

Pobyt sondy na geocentrické orbitě se pomalu chýlil ke konci. Kaguya se pohybovala po dráze natolik přesné, že bylo možno zrušit poslední úpravu, označenou jako ΔVc3. Trajektorie tělesa se dostala 2007-10-03 do těsné blízkosti Měsíce a pak již stačilo uskutečnit správný motorický zásah, aby Kaguya uvázla v gravitačním poli našeho přirozeného satelitu. Zážeh motoru dostal označení LOI1 [=Lunar Orbit Injection] a měl být zahájen v 20:55 UT. Nakonec se začátek operace přesunul až na 21:20 UT a po vyhodnocení výsledků bylo oznámeno, že úvodní selenocentrická dráhy nové družice Měsíce leží ve výšce 101 až 11741 km nad lunárním povrchem a jeden oběh trvá 16 h 42 min.

Zprávu o navedení sondy na dráhu kolem Měsíce potvrdila JAXA přibližně s jednodenním zpožděním, až měli navigátoři v ruce dostatek měření momentální trajektorie. Zároveň JAXA připomněla, že sonda dokázala k Měsíci bezpečně dopravit zprávy a podpisy, které byly shromážděny od 412627 jednotlivců z celého světa v rámci kampaně "Wish upon the Moon".

Úvodní selenocentrická dráha se nicméně ještě značně lišila od dráhy, na níž měly kroužit jednotlivé subsatelity, nemluvě o vlastní operační dráze hlavního tělesa. Na postupné korekce se počítalo s dalšími zážehy raketového motoru v pořadí LOI2 až LOI6. Označení LOI [=Lunar Orbit Injection] bylo ale v tomto případě mírně zavádějící, protože se nejednalo o navedení na oběžnou dráhu (I=Injection) ale o pouhou úpravu stávající dráhy. Korekce LOI2 byla nahlášena na 2007-10-05 v 23:01 UT. Data získaná sledovací stanicí Usuda potvrdila, že i po tomto manévru zůstává aparát v dobré kondici a měření nové dráhy umožnilo zveřejnit nové parametry: výška 108 až 5694 km, oběžná perioda 7 h 53 min.

Manévr LOI3 byl v plánu 2007-10-06 v 22:40 UT. Telemetrie do řídícího střediska tentokrát putovala přes stanici v Goldstone a sledování nové trajektorie ani tentokrát nezavdalo důvod k obavám o osud mise. LOI3 dále snížil dráhu v apocentru, takže sonda nyní kroužila po dráze ve výšce 115 až 2399 km s oběžnou dobou 4 hod 5 min.

Nová dráha již odpovídala zamýšlené orbitě prvního ze dvou připojených satelitů. Oddělení subdružice Rellay satellite (Rstar) bylo nahlášeno na 2007-10-09 v 00:35 UT. Ke skutečné separaci došlo podle závěrečné zprávy o minutu později. Oddělení potvrdila opět palubní kamera, která má za úkol monitorovat stav zařízení sondy. Stejnou kamerou byly ještě později zhotoveny snímky lunárního disku v době, když už se Rstar nacházela mimo dohled a palubní kamera se otočila směrem k parabolické anténě. Hlavní družice i její první "baby" hlásily dobrý stav a čekaly na třetí těleso, které mělo nastoupit samostatný let o několik dnů později.
Družice Rstar je určena jednak k retranslaci signálů ale i k měření magnetického pole, dokonce i na odvrácené straně, a přesnému sledování gravitačního pole na základě rádiové interference s druhým subsatelitem VRAD.

Krátce poté, co se Kaguya zbavila prvního pasažéra, manévrem LOI4 dále snížila dráhu nad Měsícem. Korekce byla naplánována na 2007-10-09 v 00:24 UT. Ani tentokrát se nevyskytlo žádné nepříjemné překvapení a po potvrzení stavu systémů souborem telemetrických dat, s jejichž příjmem opět vypomohla americká stanice Goldstone, byly oznámeny nové parametry selenocentrické dráhy - výška nad povrchem 127 až 795 km a oběžná doba 2 h 34 min.

Na nové dráze došlo 2007-10-12 v 04:28 UT k oddělení i druhé subdružice prozatím označované jako VRAD [=Very Long Baseline Interferometry Radio] nebo taky jinak Vstar. I tentokrát byla separace zachycena palubní kamerou.

Kdo si do této chvíle myslel, že oba subsatelity si podrží jména VRAD a Rsat, pod kterými probíhal jejich návrh a výroba, nemá dostatečné zkušenosti s mentalitou japonských vesmírných výzkumníků. Jinak by si musel všimnout, že každá sonda i družice dlouho žijí pod neutrálním technickým označením, navíc vycházejícím z anglické terminologie, ale nejpozději v okamžiku, kdy se těleso dostane úspěšně do vesmíru, obdrží promptně nějaké poetické jméno. Subsatelity Kaguyi nemohly být výjimkou!

Kaguya, jak už bylo dříve uvedeno, je jméno princezny ze starého japonského příběhu Taketori Monogatari {=Příběh sekáče bambusu}. Subsatelity si vypůjčily jméno ze stejné legendy. Těleso VRAD se od této chvíle nazývalo "Okina" (starý muž - dřevorubec, který princeznu Kaguyu našel v bambusovém lese) a Rstar bylo teď "Ouna" (manželka dřevorubce). Podobně jako v pohádce se oba staříci pečlivě starali o nalezenou princeznu, očekávalo se, že i jejich malí následníci na dráze kolem Měsíce budou bedlivě dohlížet na hlavní sondu, která se v dalších dnech měla spustit ještě o mnoho kilometrů níže k lunárnímu terénu.

Další korekce dráhy LOI5 a LOI6 měla Kaguya provést mezi 2007-10-14 a 2007-10-18 (japonského času) a tím dosáhnout operační výšky. Přesné datum, kdy k nim došlo, se na obvyklém místě na internetu neobjevilo, a tak čtenář musel vzít za vděk pouhým konstatováním z 2007-10-19, že nová dráhy po dvou zmíněných korekcích se nachází ve výšce 80 až 123 km nad měsíčním povrchem a oběžná doby činí 1 h 58 min.

O dva dny později, 2007-10-21 vydala JAXA tiskovou zprávu, v níž se uvádí, že se Kaguya pohybuje po plánované dráze (původně byla plánována kruhová dráha ve výšce 100 km) a byla převedena do regulérního operačního stavu. Sonda přešla do stabilní tříosé orientace, v níž se udržuje zaměření přístrojů k lunárnímu povrchu na celé oběžné dráze. Hlavní sonda i dvě malé subdružice se nacházely, podle zprávy, v dobrém technickém stavu. Byly zahájeny úvodní testy zařízení, které měly ověřit, že systémy a vědecké přístroje pracují tak, jak je od nich požadováno. Zkoušky byly rozplánovány až do poloviny prosince, kdy by měly začít rutinní pozorovací aktivity.

Plánovaný průběh letu

Základní družice Kaguya bude stanovenou operační dráhu udržovat po dobu jednoho roku. Zhruba každé dva měsíce k tomu bude pravděpodobně zapotřebí zážeh korekčních motorků. První rok by se výška skutečné dráhy neměla odchýlit o více než 30 km od nominální hodnoty 100 km. Po uplynutí jednoho roku se uvažuje o snížení dráhy na 40 až 70 km.
Pohonný modul měl být po dosažení operační dráhy oddělen a měl dosednout na měsíční povrch. Přitom měl demonstrovat jednak technologii měkkého přistání v předem zvoleném místě a jednak možnosti udržování tepelných podmínek na palubě a metodu akumulování energie nutné pro přežití během rozdílných podmínek měsíčního dne a noci. Rádiový vysílač umístěný na pohonném modulu se měl rovněž použít na experimenty VLBI. Protože se o přístání na Měsíci v posledních oficiálních publikacích vydaných u příležitosti startu sondy nehovoří, má se za to, že tento bod programu (jako příliš složitý) byl pro tentokrát zrušen.