Philae

Mise Rosetta, která odstartovala 2004-03-02, je určena k dlouhodobému výzkumu komety 67P/Churyumov-Gerasimenko a k vysazení malého přistávacího aparátu na její povrch. Přistávací modul (Lander) Philae, někdy nazývaný Roland, je i při své miniaturní velikosti vybaven celou řadou zajímavých přístrojů. Výzkum na povrchu jádra komety má vykonávat samostatně i v součinnosti s orbitální částí, která mu slouží rovněž pro retranslaci rádiových signálů.

Konstrukce

Přistávací aparát Rosetta Lander vyrobilo konsorcium evropských firem pod vedením DLR [=Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt] (Německo). Dalšími účastníky jsou ESA, CNES a instituce z Rakouska, Finska, Francie, Maďarska, Irska, Itálie a Velké Británie.

Přistávací modul o hmotnosti asi 100 kg je tvořen hranolem se šestiúhelníkovou podstavou o průměru 1 m a výšce 0.8 m a na jednom konci neuzavřeným. Je podepřen na nízké trojnožce. Těleso sondy sestává ze základní desky, plošinky s vědeckými přístroji a kapoty. Konstrukce je vyrobena z vysoce pevných uhlíkových vláken a překryta hliníkovým pláštěm.

Dosedací zařízení je tvořeno osovou teleskopickou trubkou, která propojuje natáčecí a zvedací mechanismus umístěný v dutině tělesa Landeru a připojený spodním koncem na kardanový kloub ve středu trojnožky. Stabilizaci v jedné ose během přistávání zajišťuje setrvačník a pohyb je řízen tryskami, které nejprve urychlují klesání a potom zabraňují odražení aparátu od povrchu kosmického tělesa, vyznačujícího se minimální přitažlivostí. Po dosednutí je vystřelena harpuna na lanku, která definitivně zakotví Lander na kometě. Aparatura je zásobována elektřinou z GaAs slunečních článků instalovaných na horním panelu a plášti. Fotovoltaické baterie dobíjejí dva akumulátory o kapacitě 970 Wh a 110 Wh. Lander komunikuje přes orbitální část Rosetty vysílačem o výkonu 1 W v pásmu S.

Minimální projektovaná životnost na povrchu komety je 65 hodin, ale činnost na kometě může pokračovat několik měsíců.

Vědecké vybavení

I přes malou hmotnost je přistávací aparát vybaven značným počtem přístrojů a je schopen vykonávat řadu experimentů:

• rentgenový spektrometr APXS [=Alpha-Proton X-ray spectrometer] slouží k chemické analýze látek na povrchu komety a sledování jejich případných změn během přibližování ke Slunci;
• šest identických mikrokamer CIVA [=Comet nucleus Infrared and Visible Analyser] má přenášet panoramatické snímky a sledovat složení, texturu a odrazivost vzorků povrchu;
• experiment zjišťující vnitřní skladbu jádra komety rádiovou sondáží CONSERT [=Comet Nucleus Sounding Experiment by Radio-wave Transmission] spolupracuje s podobným zařízením na orbitální části;
• zařízení na analýzu plynů EGA [=Evolved Gas Analyser] tvoří dva přístroje:
• detekce a identifikace komplexních organických molekul COSAC [=Cometary Sampling and Composition];
• přesné měření izotopických poměrů lehkých prvků MODULUS/Ptolemy;
• výzkum povrchových a podpovrchových vrstev z hlediska hmotových, tepelných a energetických poměrů MUPUS [=Multi-Purpose Sensors for Surface an Sub-Surface Science];
• sestupová a dolů směřující kamera ROLIS [=Rosetta Lander Imaging System] má přenášet první záběry místa přistání;
• magnetometr a monitor plazmatu ROMAP [=Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor];
• zařízení pro sběr a podávání povrchových vzorků doplněné vrtací hlavou SD2 [=Sampling, Drilling and Distribution];
• experiment na zjišťování povrchových elektrických, seismických a akustických vlastností SESAME [=Surface Electrical, Seismic and Acoustic Monitoring Experiment].

Přípravy ke startu a průběh letu

První pokus o vynesení sondy ke 46P/Wirtanen proběhl začátkem roku 2003. Bohužel těsně před plánovaným vzletem havarovala nosná raketa Arianne. Protože kometární stanici měl vynést její další exemplář, byl start pozdržen do vyšetření příčin havárie. Vyšetřování se ale protáhlo, až uplynuly všechny možné termíny startu. Rosetta byla zakonzervována a v následujících měsících se hledal náhradní cíl, eventuálně se zvažovala možnost počkat se startem, až se opět Země a kometa 46P/Wirtanen dostanou do vhodné vzájemné polohy. Nakonec bylo v květnu 2003 zvoleno náhradní řešení a sonda zamíří ke kometě 67P/Churyumov-Gerasimenko.

Tato varianta má ovšem svoje úskalí. Nový cíl je mnohem větší (průměr 4x větší, přitažlivost 30x větší) než původní a tudíž přistání na kometě bude náročnější. Sice se částečně zmenšují potíže se zakotvením modulu na povrchu, při němž hrozilo, že se modul odrazí a znovu odlétne do prostoru, ale nyní má dosáhnout přistávací rychlost místo 0.2 až 0.5 m/s hodnoty 0.7 až 1.5 m/s. Bylo nutno hledat nové řešení, jakým způsobem absorbovat náraz při dosednutí a jak omezit nebezpečí převrácení. Kvůli tomu se konaly modelové zkoušky přistání pod různými úhly sestupu a při různých sklonech terénu. Řešení se nalezlo v dodatečné instalaci malé podpěry označované jako "omezovač náklonu" připojené na spodní část přistávacího aparátu. Pomocí tohoto zařízení se omezí úhel, pod kterým se opře podvozek aparátu o povrch na 3 až 5°. Zlepší se tím tlumící efekt a zároveň se zmenší riziko odrazu. Omezovač náklonu vyvinula firma Astrium GmbH ve spolupráci s Institutem Maxe Plancka v Lindau (SRN). Odzkoušeno bylo, že s tímto jednoduchým zařízením je možné bezpečně přistát rychlostí až 1.5 m/s při úhlu dosednutí na povrch 10° a nebo rychlostí 1.2 m/s při úhlu až 30°. Dodatečná podpěra byla dopravena do střediska v Kourou a namontována na sondu 2003-09-30. Se změnou scénáře letu se upravila rovněž chronologie operací v blízkosti komety.

2003-10-24 formálně začala závěrečná fáze přípravy startu sondy ke startu v únoru 2004.

2004-02-05, 21 dní do startu sondy, byl přistávací aparát přejmenován na Philae. Philae je jméno ostrova na Nilu, kde byla nalezena Rosettská deska. Pojmenování vzešlo ze soutěže, kterou organizovali hlavní národní účastníci mise. Navrhla je patnáctiletá Serena Olga Vismara z vesnice Arluno poblíž Milána (Itálie). Za odměnu byla pozvána, aby se zúčastnila startu Rosetty v Kourou.

2004-02-10 absolvovala Philae úspěšně pozemní kontrolu na kosmodromu. Kromě jiného bylo zkontroláno elektrické zapojení, odzkoušena hlavní baterie a záložní baterie byla plně nabita. Nakonec byla namontována harpuna, která má zakotvit lander na povrchu komety. Nyní zůstává přistávací aparát upevněný na boku orbitální části zabalen jen do několika ochranných krytů včetně pouzdra kryjícího hrot harpuny. V tomto stavu zůstane až do konečné montáže sondy na vrcholek nosné rakety koncem února. Tým Philae absolvoval poslední trénink zaměřený na finální montážní operace před startem.

Dne 2004-03-02 se uskutečnil v 07:17:44 UT z kosmodromu Kourou start nosné rakety Ariane 5G+ (let V 158) se sondou Rosetta a připojeným přistávacím modulem Philae.

Mezi 2004-03-12 a 2004-03-17 proběhlo celkem pět sérií postartovních testů přistávacího aparátu. Všechny prověrky byly úspěšné a uskutečnily se ve stanoveném čase. To umožnilo provést ještě celou řadu dalších činností původně plánovaných na pozdější dobu.

Druhé sérii komplexních prověrek přistávacího aparátu bylo věnováno období mezi 2004-04-09 až 2004-04-15. Pozornost byla tentokrát věnována činnostem vědeckého vybavení. Také tento cyklus skončil úspěšně až na několik procedur, které budou muset být zopakovány v další plánované sérii testů, ke které dojde samozřejmě až po rozboru dostupných dat.

Třetí série zkoušek přistávacího modulu byla zahájena 2004-05-13 a pokračovala do 2004-05-21. Celkem bylo provedeno osm cyklů prověrek s dobrými výsledky. Další prověrky se proto plánují až na podzim 2004.

Plánovaný průběh letu

Po navedení na heliocentrickou dráhu bude muset orbitální část s připojeným přistávacím modulem provést celou řadu dynamických operací, které ji nakonec po mnoha letech přivedou prakticky do stejné dráhy, v jaké se pohybuje cílová kometa. Po delší době strávené na oběžné dráze kolem komety a průzkumu jádra z bezpečné vzdálenosti bude kosmické plavidlo přemístěno do vzdálenosti asi 1 km a polohy, ze které dojde v říjnu 2014 k oddělení přistávacího modulu relativní rychlostí asi 1.5 m/s.
Po přistání a zakotvení Landeru se zahájí vědecké zkoumání povrchu a výsledky budou předávány na Zemi retranslací přes orbitální část, která zůstane na oběžné dráze kolem komety.

Experimenty a výsledky

Rentgenový spektrometr APXS
[=Alpha-Proton X-ray spectrometer]

Úkolem experimentu APXS je určení chemického složení povrchových vrstev jádra komety v místě přistáni a možné změny v době, kdy se kometa přibližuje ke Slunci. Získaná data nebudou sloužit jenom k charakteristice povrchu ale použijí se rovněž k posouzení chemických vlastnosti prachu a ke srovnávací analýze se známými typy meteoritů. V součinnosti s výsledky orbitální sekce se očekává podrobnější obraz současného stavu komety a názor na její původ a vývoj.

Kamerový systém CIVA
[=Comet nucleus Infrared and Visible Analyser]

Lander je vybaven šesticí identických miniaturních kamer určených k pořizování panoramatických obrazů povrchu jádra. Spektrometr má zkoumat složení, texturu a albedo (odrazivost) odebíraných vzorků.

Rádiová sondáž kometárního jádra CONSERT
[=Comet Nucleus Sounding Experiment by Radio-wave Transmission]

Přístroj je navržen k sondáži vnitřní struktury jádra komety prostřednictvím rádiových pulsů procházející tělesem komety. Experiment má dvě aparatury - jednu na orbitální části a druhou na přistávacím aparátu. Úkolem je studium permitivity jádra a identifikace elektrických vlastností, rozlišení různých skupin materiálu jádra. Měří se pohlcování rádiových vln, zjišťují se nehomogenity, malé struktury a vnitřní hranice různých materiálů. Pátrá se po možných původních malých tělesech, ze kterých kometa vznikla akrecí. Předpokládá se, že látky, ze kterých jsou tvořeny komety se příliš neliší od materiálu prvotní mlhoviny, která před 4.6 miliardami let předcházela vzniku Sluneční soustavy.
CONSERT tvoří vysílač na orbitální části a dvě kolmé dipólové antény, které vysílají kódovaný rádiový signál 90 MHz s kruhovou polarizací v pulsech trvajících 25.5 µs o výkonu 2 W s intervalem opakování 200 µs. Rádiové vlny pronikají tělesem komety a jsou zachycovány na přistávacím aparátu, kde jsou digitalizovány a komprimovány. Po jistém zpoždění jsou znovu odvysílány zpět na orbiter novým pulsem o výkonu 0.2 W a jsou detekovány v pásmu 86 až 96 MHz. Čas jednoho takového měření je méně než 1 s, přičemž během jednoho oběhu má být provedeno asi 6000 takovýchto měření.
Antény a základní konstrukce přístroje je vyrobena z hliníku. Antény jsou umístěny na nosníku z uhlíkových vláken. Během startu rakety je soustava antén složena, rozkládá se po oddělení sondy od nosiče. Anténa na přistávacím aparátu je tvořena čtyřmi drátovými monopóly, které se nacházejí ve vzdálenosti méně než 0.4 m od povrchu.

Analyzátory plynů EGA
[=Evolved Gas Analysers]

Přistávací aparát je vybaven dvěma přístroji provádějícími rozbory přítomných plynů.
První z nich COSAC [=Cometary Sampling and Composition] se specializuje na detekci a identifikaci komplexních organických molekul. Jedná se o sofistikovanou laboratoř s minimální hmotností a energetickými nároky, zcela automatickou, přenesenou na vzdálené kosmické těleso. Vzhledem k tomu, že Lander je schopen se otáčet, mohou být vzorky odebírány z různých míst v okolí přistání. Miniaturní vrtačka umožňuje proniknout až do hloubky 0.2 m pod povrch.
Druhým přístrojem je MODULUS/Ptolemy [=Methods Of Determining and Understanding Light element from Unequivocal Stable isotope composition], jehož analogický dvojník se nachází na orbitální části (MODULUS/Berenice). Je zaměřen na přesné měření izotopických poměrů lehkých prvků. Vědeckým úkolem přístroje je porozumět geochemii lehkých prvků (vodík, uhlík, dusík, kyslík) tím, že se stanoví jejich původ, rozložení a rovnovážné izotopické složení. Zařízení o rozměru krabice od bot má hmotnost asi 4.5 kg a používá metod chromatografie a hmotové spektrometrie (GCMS) pro výzkum povrchu a podpovrchových vrstev. Bylo vyvinuto v součinnosti s Rutherford Appleton Laboratory.

Výzkum povrchových a podpovrchových vrstev MUPUS
[=Multi-Purpose Sensors for Surface and Sub-Surface Science]

Úkolem přístroje, obsahujícím mj. penetrátor s kladivem, je:

• výzkum vlastností a vrstvení hmoty na a těsně pod povrchem a jejich změn v závislosti na otáčení jádra a během přibližování ke Slunci;
• zkoumání energetické rovnováhy povrchové vrstvy a její variace v čase a hloubce;
• zkoumání hmotové rovnováhy na povrchu a její vývoj v čase;
• ověření údajů z teplotního mapování Orbiteru a podpora dalším přístrojům Landeru.

Přistávací kamera ROLIS
[=Rosetta Lander Imaging System]

Kamera ROLIS je zaměřena ve směru letu aparátu a má pořizovat první detailní záběry oblasti přistání během sestupu. Po přistání má provádět snímkování s vysokým rozlišením se zaměřením na strukturu (morfologii) a mineralogii povrchu.

Magnetometr a monitor plazmatu ROMAP
[=Rosetta Magnetometer and Plasma Monitor]

Přístroj je vybaven několika jednotlivými prostředky měření. Magnetické pole se měří magnetickou indukční sondou (magnetometrem). Elektrostatický analyzátor měří ionty a elektrony. Lokální tlak je měřen Piraniho a Penningovými senzory. Přístroje jsou umístěny na krátké tyči. Pro použití na kometě musel být vyvinut speciální digitální magnetometr o nízké hmotnosti a energetické spotřebě. Prototyp magnetometru byl vyzkoušen na kosmické stanici MIR pod označením SPRUTMAG. Zařízení ROMAP bylo vyvinuto pod vedením Technické university v Braunschweigu (Německo).

Zařízení pro sběr vzorků SD2
[=Sampling, Drilling and Distribution]

Toto zařízení se má postarat o zásobování vzorky, určenými pro mikroskopické zkoumání a pokročilou analýzu plynů, v různých vědeckých přístrojích. Je schopno proniknout do hloubky až 250 mm a ve stanovené hloubce odebrat potřebný vzorek. Vzorek je poté přemístěn do karuselu, který je přesune k různým přístrojům stanice: spektrometru, měřidlu objemu, pícce, v níž se dá ohřát na střední a vysoké teploty, a čistící stanici.

Sledování prostředí na kometě SESAME
[=Surface Electrical and Acoustic Monitoring Experiments]

Soubor senzorů sledujících elektrické, seismické a akustické projevy na povrchu komety. Rovněž tento experiment má pomoci v pochopení, jakým způsobem je kometa utvářena a jak lze toto poznání zobecnit na zákonitosti formování solárního systému, včetně Země. Přístroje byly sestaveny pod dozorem Deutsches Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR), Institutu pro vesmírné simulace, Köln am Rhein (Německo).

Literatura

1. Rosetta Home Page (ESA): http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=13