Létající vesmírní pionýři: Balony na Venuši, padáky na Titanu a vrtulník na Marsu
Vědci a inženýři už řadu dekád zkoumají, jak posílat drony, balony, letouny a další létající stroje na jiné planety a měsíce. Od vichřicemi zmítané Venuše přes mlhou zahalený Titan až po marťanský vrtulníček Ingenuity – lidstvo krok za krokem ovládá létání na cizích světech.
Balony nad Venuší
- Program Vega
Program Vega zahrnoval sérii mezinárodních misí zaměřených na průzkum Venuše, jež se odehrály do roku 1986. Mezi nejzajímavější technologicky průkopnické počiny v jeho rámci patřilo vyslání balonů do husté atmosféry planety při misích Vega 1 a 2. Jednalo se přitom o zcela první létající tělesa vypuštěná na jiné oběžnici. Vedle Sovětů se na zmíněném programu podíleli vědci z Francie, Rakouska, Bulharska, Maďarska, Československa, Polska, Německa a dalších zemí. A právě Francouzi sehráli klíčovou roli, neboť dodali technologii pro balonové průzkumníky, tvořící vrchol tehdejšího studia Venuše.
Téměř jako na Zemi
Sondy řady Vega měly dva hlavní úkoly: průzkum naší sesterské planety a pozdější průlet kolem Halleyovy komety. K Venuši oba automaty dorazily v červnu 1985 krátce za sebou, přičemž nesly vždy přistávací modul a průzkumný balon pro atmosféru. Zatímco tedy moduly sbíraly data z povrchu (přestože Vega 1 kvůli chybě při silném větru selhala), balony se jako první v historii vydaly do divoké oblačnosti nehostinného světa.
Jelikož je ovšem tamní atmosféra asi 94krát hustší než ta zemská, pro létání se dokonale hodí. Obsahuje sice žíravé látky a je plná turbulencí, nicméně Sověti spolu s Francouzi navrhli geniální řešení: Jednoduché aerostaty naplněné heliem dokázaly plout ve výšce asi 54 km, kde panuje tlak podobný tomu na Zemi a teplota dosahuje zhruba 50 °C, což vzhledem k povrchovým podmínkám znamenalo doslova ráj.
Čtyřicet šest hodin
Aerostaty měly za úkol měřit teplotu, tlak, rychlost větru, vertikální proudy a hustotu oblaků během 46 hodin, než se vybijí baterie. Balony naplněné heliem se pohybovaly asi 52–54 km nad povrchem, unášeny větrem o rychlosti až 240 km/h, a obepluly přibližně třetinu planety. Extrémnímu prostředí Venuše přitom zvládly čelit díky faktu, že byly vyrobeny z tenké, ale extrémně odolné tkaniny potažené polytetrafluorethylenem neboli PTFE, známým jako teflon.
Uvedený materiál dokázal odolat naleptání kyselinou sírovou v oblačnosti planety a je také tepelně stabilní, takže se tkanina při teplotách kolem 50 °C nerozpadla. Obal o pečlivě zvolené tloušťce měl vydržet tlak i turbulence, ale zároveň být dost lehký, aby mohl aerostat plout. Celý systém zahrnující balon, gondolu s přístroji a podpůrné vybavení vážil pouhých 21 kg, z čehož na gondolu zavěšenou na 12metrovém laně připadalo pouhých 6,9 kg.
Balony odhalily, že je atmosféra „sestry Země“ mnohem divočejší, než se dřív předpokládalo. Byla plná konvektivních proudů, které způsobovaly prudké změny výšky aerostatů, a propady gondoly až o kilometry nepředstavovaly nic výjimečného. Každopádně za 46,5 hodiny překonaly balony dohromady vzdálenost 11 000 km a coby první zařízení vyslaná lidmi do kosmu zvládly stabilní let v atmosféře jiné planety.
Záhady Saturnova měsíce
- Huygens
Saturnův měsíc Titan představuje velmi exotický svět. Je větší než Merkur a mohl by nám napovědět, jak kdysi dávno vypadaly počátky života na Zemi. Panuje tam taková zima, že z nebe prší kapalný metan a utváří na povrchu celá jezera i řeky. Potenciální návštěvník tělesa by nad hlavou spatřil oranžovou a neprostupnou oblohu, na níž by se dokonce i blízký Saturn dal mezi mračny spatřit jen zřídka. Právě k Titanu přitom NASA a ESA vyslaly v roce 2005 v rámci mise Cassini i pouzdro Huygens, aby vstoupilo do hustého ovzduší neznámého světa a prozradilo nám o něm něco víc.
Velmi pomalý sestup
Zmíněné pouzdro se stalo jedním z nejpozoruhodnějších zařízení, jaká jsme kdy na jiný kosmický objekt vyslali. Jeho cesta na povrch Titanu trvala 2,5 hodiny, kdy ho zpomalila série padáků i tamní hustá atmosféra, takže v podstatě plachtilo. V průběhu letu pak provedlo řadu měření s využitím přístrojů na palubě.
Pouzdro Huygens vážilo 318 kg a bylo doslova prošpikováno vědeckým vybavením. Proti tepelnému namáhání jej chránil kryt o hmotnosti asi 100 kg, zahrnující vepředu ablativní štít proti žáru při sestupu a na zádi hliníkový překryt, pod nímž se nacházel padákový systém. Ten tvořily tři postupně vypouštěné nylonové padáky – pilotní, hlavní a stabilizační. Na ochranu před chladem naopak dostal průzkumník do vínku 35 topných elementů s plutoniem-238.
Pod pokličkou mlhy
Huygens nám o Titanu například prozradil, že je tamní atmosféra asi 1,5krát hustší než ta zemská a plná organických částic, které vznikají chemickými reakcemi mezi metanem a slunečním zářením. Vytvářejí přitom hustý opar, jenž blokuje viditelné světlo, což bychom na povrchu vnímali jako mlhu. Dřív se vědci domnívali, že se daný opar vyskytuje pouze vysoko v atmosféře tělesa. Robotický průzkumník však dokázal, že mlhavo – i když mnohem mírnější – vládne rovněž na povrchu.
Pouzdro nám poskytlo také snímky i video ze sestupu a podařilo se s ním udržet spojení ještě téměř 90 minut po přistání. Bohužel se však nepovedlo získat všechna odvysílaná data: V důsledku programátorské chyby nebyly přijaty údaje z druhého kanálu vysílače a došlo ke ztrátě přibližně poloviny informací předaných na sondu Cassini. Nenahrály se totiž do palubní paměti, a tudíž je nebylo možné později poslat na Zemi. V každém případě ono malé pouzdro plachtící v atmosféře neznámého světa nadále drží rekord v nejvzdálenějším přistání pozemského přístroje na jiném kosmickém tělese.
Dobrodružství na Marsu
- Ingenuity
Když v roce 2021 přistál na Marsu rover Perseverance, ukrýval se pod jeho kovovým břichem nenápadný poklad: vrtulníček Ingenuity. Zmíněný průkopnický dron následně ukázal, že je řízené létání na jiné planetě možné, a s hmotností pouhých 1,8 kg a s rozměry krabice od bot přepsal historii dobývání vesmíru.
Co nejlehčí
Naučit létat cokoliv v podmínkách Marsu není tak jednoduché, jak by se mohlo zdát. Tamní atmosféra dosahuje asi jen 1–2 % hustoty té zemské, takže Ingenuity v podstatě představoval mistra v lehké váze létání. Jeho trup sestával převážně z hliníku a uhlíkových kompozitů, stejně jako povrch dvou rotorů o průměru 1,2 m optimalizovaných pro maximální vztlak: Rotovaly proti sobě minimálně 2 400krát za minutu, aby se stroj v řídkém vzduchu dokázal vznést.
Pro modelování jejich aerodynamiky přitom neexistovaly teoretické podklady a z velké části šlo o pouhé předpoklady. Samotná konstrukce, ovládání a komunikace byly samy o sobě natolik složité, že se předem neplánovalo provádět s vrtulníčkem na Marsu žádné další „psí kusy“.
Jeho srdce tvořilo šest lithium-iontových baterií umístěných v trupu. Energie pocházela ze solárního panelu o ploše asi 500 cm² na vrchu rotorů, který baterie dobíjel během marsovského dne. Za optimálních podmínek produkoval až 90 W, ale na prašné planetě musel vrtulníček šetřit: Jeden let trvající do 90 sekund spotřeboval asi 20 % kapacity baterie. Zbytek posloužil k odesílání dat a k ohřevu elektroniky za mrazivých nocí, s teplotami klesajícími až k −90 °C. Zajišťovaly jej malé topné jednotky, bez nichž by stroj nepřežil.
Vrtulníček z obchodu
Většina technologií uplatněných u vrtulníčku byla překvapivě volně dostupná a prodejná. Software nevznikl speciálně na míru, protože vše běželo na operačním systému Linux. Řídicí a stabilizační systém se běžně používá na některých cubesatech, pro které se také vyvíjel.
Procesor Snapdragon 801 z roku 2014 bychom pak našli v mobilních telefonech. Výpočetní systém Ingenuity měl přitom vyšší výkon než v případě roveru Perseverance – vyžádala si jej zejména přesná navigace a snímkování. Dále se dostal ke slovu například laserový výškoměr od společnosti SparkFun a na těle stroje se nacházel i sklonoměr a další senzory. Vědci mysleli rovněž na minulost a odkaz, v němž pokračovali. Na trup vrtulníčku byl proto přichycen kousek látky z prvního letadla Kitty Hawk bratří Wrightů.
Tři roky ve službě
Poprvé Ingenuity vzlétl 19. dubna 2021, a to na pouhých 39 sekund. Přesto tím navždy přepsal historii letectví: Šlo o první řízený let na jiné planetě – a zároveň o pouhý začátek. Během tříleté mise odstartoval vrtulníček celkem 72krát, urazil v součtu 17 km a vystoupal až do výšky 24 m nad povrch rudé planety. Po celou dobu doprovázel vozítko Perseverance a pomáhal mu v průzkumu. Nakonec však doplatil na tvrdé přistání, kdy se ulomil jeden z rotorů.
Za 118 let jsme se tedy dostali od prvního letu na Zemi, měřícího 39 m, k létání na jiném vesmírném tělese, vzdáleném od nás přibližně 100 milionů kilometrů. Odkaz bratrů Wrightových, který se zrodil 17. prosince 1903, tak pokračuje dál. Je víc než symbolické, že právě kousek látky z jejich prvního letadla odpočívá spolu s Ingenuity na Marsu.
