Trnitá cesta k Jupiteru: Odvážná mise kosmické sondy Galileo
Už v době, kdy se k průzkumu vnějších planet Sluneční soustavy chystala dvojice sond Pioneer 10 a 11 (odstartovaly v roce 1972), ležela na stole mnohem komplexnější mise. Její cíl zněl: oběžná dráha Jupitera.
Projekt dostal pracovní název Pioneer JOP (Jupiter and Orbit Probe) a podle prvních představ mělo jít o kopii výše zmíněných sond Pioneer s tím, že by byly vybaveny většími zásobami pohonných látek a především brzdicím motorem. Později přibyla také sonda, která měla jako první proniknout do hustých vrstev atmosféry planety a předat nám informace o její podobě. K autorizaci mise došlo v roce 1975 a realizovat ji mělo Amesovo kosmické středisko. Počítalo se se startem na raketoplánu v roce 1982.
Porodní bolesti
První změnou v projektu se stalo jeho převedení z Amesova střediska do Laboratoře tryskových pohonů v kalifornské Pasadeně, neboť jinak by se tento dvorní dodavatel meziplanetárních programů zanedlouho ocitl bez práce: sondy Viking právě odstartovaly, Voyagery se dokončovaly – a po nich se neplánovala žádná další mise. S přesunem pod křídla jiného střediska NASA došlo také k radikálnímu přepracování koncepce. Zatímco výzkumníci z Amesova střediska počítali se sondou stabilizovanou rotací, která by se věnovala především studiu částic a polí, technici z Pasadeny prosadili tříose stabilizovaný automat: je sice výhodnější pro přesně orientovaná měření, jako je fotografování, ale pro zmíněné studium částic a polí se nehodí.
Proto padl návrh, aby v rámci mise letěl ještě malý subsatelit, stabilizovaný rotací a určený právě pro výzkum částic a polí. NASA jeho výrobu nabídla Evropě, ale ESA zmíněný záměr jako nepříliš zajímavý odmítla. Nakonec se však našlo řešení, které uspokojilo obě strany: sonda se měla skládat z rotující části (pro studium částic a polí) a z části stabilizované. Zvýšil se tak sice vědecký přínos projektu, ale jeho cena vzrostla. Aby ušetřila, zredukovala NASA počet sond (v té době přejmenovaných na Mariner Jupiter Orbiter) ze dvou na jednu. Všechny již realizované mise (Pioneer, Voyager, Viking, …) letěly v párech, což umožňovalo pokračovat i v případě ztráty jedné stanice. Jenže sázka na jedinou sondu znamenala, že musí být zařízení spolehlivější – což opět šroubovalo cenu projektu vzhůru.
Vojenská sonda u Jupitera
V roce 1978 se mise definitivně přejmenovala na Galileo na počest italského astronoma Galilea Galileiho (1564–1642), který jako první použil dalekohled k astronomickým pozorováním a objevil čtyři největší – tzv. galileovské – měsíce Jupitera. (Pozor, dnes nese název Galileo evropský globální systém navigačních družic. Jde přitom o zcela jiný program, ovšem média tyto navigační satelity se sondou k Jupiteru často zaměňují.)
Aktualizovaný plán mise počítal se startem na nízkou dráhu v roce 1982 a s navedením na meziplanetární trajektorii pomocí třístupňového bloku IUS (Inertial Upper Stage). Po průletu kolem Marsu měla sonda dorazit k Jupiteru v roce 1985. Jenže následoval odklad startu na rok 1984 kvůli zdržení ve vývoji raketoplánů. Experti upozorňovali, že levnější, rychlejší a výhodnější – z hlediska navedení na správnou dráhu – by bylo zakoupit raketu Titan III (použitou například v programech Viking nebo Voyager). NASA o tom však nechtěla ani slyšet, protože při prosazování projektu raketoplánů zaznělo jako stěžejní argument právě využití těchto strojů pro meziplanetární sondy. Proto se pokračovalo ve vyjetých kolejích.
Přesto se někde ušetřit muselo – a pokud to nešlo u nosného prostředku, začala agentura zvažovat ořezání přístrojového vybavení či snížení množství paliva. Většinu problémů však vyřešil projekt, s nímž přišlo Lewisovo výzkumné středisko NASA: navrhlo upravit pro raketoplány horní stupeň Centaur používaný na raketách Atlas a Titan, který byl o polovinu výkonnější než dosud prosazovaný IUS (posléze zrušený).
Mise Galileo ovšem stále neměla vyhráno, jelikož prezident Ronald Reagan zvažoval hned po nástupu do úřadu v roce 1981 její zrušení. Vývoj však už příliš pokročil a především – NASA misi prezentovala coby vojenský projekt, protože sondu konstruovala jako vysoce autonomní (což představuje pro vojenské družice důležitou technologii) a stínění před tvrdým zářením u Jupitera pojala jako ochranu satelitů před atomovými výbuchy. Na zmíněné argumenty pak Reaganova administrativa slyšela a program běžel dále.
U Halleyovy komety?
Do hry se vrátil stupeň IUS, který byl mezitím obnoven, protože program „Centaur na raketoplánu“ nabral dramatické zpoždění. To ovšem znamenalo mnohem delší cestu k cíli (šest let namísto plánovaných tří) a korekční manévr v hlubokém vesmíru, který vyžadoval velké množství paliva. Nicméně: nová trajektorie vedla jen třicet milionů kilometrů od Halleyovy komety, a Galileo se tak mohl zapojit do jejího průzkumu.
V červenci 1982 došlo k další „změně změny“: sonda se vrátila zpět na stupeň Centaur, start se odložil na květen 1986, a průzkum Halleyovy komety tím padl. Zároveň se ukázalo, že radiační ochrana palubní elektroniky je poddimenzovaná: kdyby sonda letěla v aktuální konfiguraci, brzy by zanikla. Vždyť silné radiační pole téměř zlikvidovalo Pioneer 10 a mělo výrazný vliv na Voyager 1, a to obě stanice kolem Jupitera jen prolétaly. Elektronika i stínění se tak musely přepracovat.
Seznamte se: Galileo
Výsledkem vývoje se stala sonda s parabolickou anténou o průměru 4,8 m, jež se však nevešla do nákladového prostoru raketoplánu, takže musela být složena podobně jako deštník. Tvořilo ji 18 epoxitových tyčí, mezi nimiž se nacházela síť z pozlaceného molybdenu (stejnou technologii běžně používají komunikační družice u Země, například TDRS).
Pod anténou se pak ukrýval přístrojový box převzatý z programu Voyager; k němu byly připojeny dvě tyče s radioizotopovými termoelektrickými generátory (RTG), které se mohly naklánět mírně nahoru nebo dolů – kvůli zajištění stability. Pohonný systém nesl 925 kg paliva, přičemž hlavní motor se měl zažehnout jen třikrát: poprvé pro krátký kalibrační zážeh, podruhé k navedení na dráhu kolem Jupitera a potřetí kvůli její úpravě. Ostatní manévry měly zajistit menší motory, jež se však přehřívaly, a nemohly tedy pracovat zamýšlených osm minut, nýbrž jen pár sekund. NASA se přesto rozhodla pokračovat i s uvedeným nedostatkem – na jeho odstranění neměla čas ani peníze. Počítalo se s tím, že manévry Galilea budou komplikovanější, delší a spotřebují více pohonných látek.
Velkou výzvu představoval také vývoj rotujícího prstence, který by nesl stabilizované přístroje nebo parabolu o průměru 1,1 m pro sledování výsadkového modulu. Problém tkvěl například v předávání energie či dat, vše se však podařilo vyřešit.
Systém zjišťování a udržování stability sondy se pak označuje za nejkomplexnější v historii. Sestával ze slunečních a hvězdných čidel, akcelerometrů k monitorování rotace a hlavního motoru, gyroskopické platformy, optických čidel pro kontrolu vzájemné polohy jednotlivých částí sondy apod. Galileo měl také na palubě malé elektrické ohřívače a 120 izotopových vyhřívačů pro udržování správné tepoty. Startovní hmotnost činila celkem 2 233 kg, z čehož 339 kg připadalo na výsadkový modul.
Neplánovaná zastávka u Venuše
Sonda Galileo měla vzlétnout 15. května 1986 na raketoplánu Challenger, který by se po čtyřech dnech vrátil na Zemi, načež měl hned následujícího dne odstartovat Atlantis s další výzkumnou sondou nazvanou Ulysses. Dva lety jdoucí po sobě představovaly pro NASA velkou výzvu. Navíc byla sestava „Galileo + Centaur“ tak těžká, že s ní měl Challenger dosáhnout jen dráhy ve výšce 169 km.
Jenže 28. ledna 1986 se odehrála tragédie: raketoplán Challenger krátce po startu explodoval a provoz americké kosmické flotily se zastavil. Sonda Galileo byla odložena nejprve na rok 1987, v červnu 1986 však došlo ke zrušení programu Centaur na raketoplánech, který si do té doby vyžádal 700 milionů dolarů! Galileo se tak vrátil na stupeň IUS.
Odborníci připravili pro sondu novou trajektorii letu, která počítala se startem v říjnu 1989 a s šestiletou cestou. Jednalo se o dráhu nazvanou VEEGA: Venus–Earth–Earth Gravity Assist neboli Gravitační manévr Venuše–Země–Země. Galileo měl na cestě k cíli proletět kolem Venuše a dvakrát se vrátit k Zemi, což ovšem znamenalo problém, protože by se tak sonda dostala mnohem blíže ke Slunci, než se předpokládalo. Bylo tedy nutné ji přepracovat, přičemž si jen zmíněné vícepráce vyžádaly 220 milionů dolarů – tedy skoro tolik, kolik Kongres USA uvolnil původně. Celkový účet za misi se pak vyšplhal na 1,36 miliardy, tj. pětinásobek prvotní ceny.
Konečně na cestě!
Galileo nakonec vzlétl 18. října 1989 na palubě raketoplánu Atlantis STS-34. Start provázely protesty odpůrců jaderných technologií, protože RTG na palubě obsahovaly vysoce toxické plutonium. NASA pro jistotu povolala i 150 členů Národní gardy a připravovala se rovněž na potenciální havárii. V Maroku a Španělsku čekaly pro případ nouzového přistání letouny s chladicími systémy, které by RTG ihned zajistily. Start však proběhl hladce a sonda se vydala na cestu k Jupiteru. Jeho umělou družicí se stala v prosinci 1995 a pracovala u planety až do 21. září 2003, kdy řízeně zanikla v hustých vrstvách její atmosféry.
Výsadkový modul mise Galileo
Unikátní součástí mise k Jupiteru se stal výsadkový modul o průměru 1,24 m a výšce 0,86 m. Jeho kritickou součást tvořil tepelný štít, sestávající z hliníkové kostry a silné vrstvy uhlíku napuštěného fenolovou pryskyřicí: zařízení totiž muselo přečkat vstup do atmosféry rychlostí 47 km/s. Díky vhodně zvolené trajektorii (blízko rovníku a po směru atmosférického proudění) se podařilo této přijatelné hodnoty dosáhnout – jinak by se vstup odehrál rychlostí 60 km/s při trojnásobně větším tepelném toku.
Vlastní sestupový modul dosahoval hmotnosti 121 kg (při přeletu jej navíc chránil odhazovací nylonový kryt) a byl navržen tak, aby zvládl přetížení 400 G, přestože ve skutečnosti pak stačilo „jen“ 250 G. Při dosažení rychlosti pod mach 0,9 se uvolnil padák z materiálu Dacron o průměru 2,4 m. Sedm přístrojů poté sbíralo po dobu 58 minut data, přičemž sonda překonala výšku 156 km. Předčila tak očekávání, protože padák byl dimenzován jen na půl hodiny. Modul detekoval mnohem méně vodní páry a pouze poloviční obsah helia v atmosféře, což vědce přinutilo přepracovat její modely.
Co sonda Galileo zjistila?
Sonda mimo jiné pozorovala naprosto unikátní jev, a sice roztrhání jádra komety Shoemaker–Levy 9 a její vstup do Jupiterovy atmosféry. Dále objevila magnetické pole u měsíců Io a Ganymed a přinesla důkazy o existenci tekutých podpovrchových oceánů na Europě, Ganymedu a Kallisto. U všech tří přirozených satelitů se zároveň podařilo detekovat exosféru neboli tenkou atmosféru. A poprvé byla také detailně zmapována magnetosféra planety.
