Meziplanetární sonda Cassini odstartovala ze Země 15. října 1997 a po téměř sedmiletém putování sluneční soustavou dorazila k planetě Saturn. Téměř 97 minut trvající zážeh raketového motoru ji 30. června letošního roku navedl na oběžnou dráhu kolem této planety. V následujících čtyřech letech ji oběhne celkem 76krát. Bude moci z bezprostřední blízkosti zkoumat nejen samotnou planetu a její prstence, ale rovněž i její rozsáhlý systém měsíců. Součástí sondy je i modul Huygens, který se od ní později oddělí a na začátku příštího roku samostatně vstoupí do husté atmosféry měsíce Titan a přistane na jeho povrchu.
Sonda Cassini během příprav ke startu – foto: NASA/JPL
Základní údaje o sondě
Po technické stránce je Cassini nejsofistikovanější a nejkomplikovanější kosmickou sondou v historii. S výškou 6,8 metru a šířkou 4 metry vážila sonda na startu více než 5,5 tuny. Téměř 2,5 tuny připadá na hmotnost samotné sondy, která na počátku nesla více než 3 tuny paliva pro raketové motory. Mimo základní těleso o tvaru hranolu jsou umístněny komunikační anténa parabolického tvaru o průměru 4 metrů a 11 metrů dlouhé rameno, na němž se nachází jeden z přístrojů – magnetometr.
Na palubě sondy nalezneme dvojici hlavních řídicích počítačů a více než 50 dalších počítačů řídicích jednotlivé systémy a přístroje. Pro hlavní změny dráhy je sonda vybavena dvojicí totožných raketových motorů, z nichž jeden slouží jako záložní, 16 hydrazinových motorků (polovina je záložních) slouží pro hrubé změny polohy a orientace sondy v prostoru, zatímco ty jemnější zajišťují čtyři reakční kola (jedno je opět záložním). Dohromady se sonda skládá z 22 tisíc elektrických spojů a při jejím sestavování bylo použito více než 12 kilometrů kabeláže. Z vědeckého hlediska nese Cassini dvanáct přístrojů, dalších šest je na modulu Huygens.
Protože se sonda Cassini pohybuje ve velké vzdálenosti od Slunce, není možné, aby byla energií zásobena prostřednictvím slunečních panelů. Nese proto trojici radioizotopových termoelektrických generátorů, které k výrobě elektrické energie využívají přirozeného radioaktivního rozpadu plutonia. Po příletu k Saturnu dodávají tyto generátory 750 W energie, na konci výpravy (tj. 11 let po startu) by to mělo být stále ještě 630 W. Dále je uvnitř sondy umístněno 82 jednowattových generátorů – dalších 35 je na modulu – sloužících k udržování provozní teploty systémů sondy. Podobné "ohřívače" jsou použity i u Mars Exploration Rovers, které stále pracují na povrchu rudé planety. Z konstrukčního hlediska se sonda Cassini skládá ze dvanácti subsystémů, které zajišťují jednotlivé specifické funkce.
Nervové centrum sondy
Nervovým centrem sondy je tzv. Command and Data Subsystem (CDS). Jeho úkolem je zpracovat a ostatním subsystémům distribuovat příkazy obdržené z pozemského řídicího střediska, zpracovat data získaná vědeckými přístroji i dalšími čidly na palubě sondy a připravit je k odeslání zpět na Zemi. Všechny součásti CDS jsou duplikované a v případě selhání mohou být nahrazeny náhradními zdroji. Tento subsystém využívá řídicího počítače a záznamníku dat. Obě komponenty jsou opět duplikovány.
Systém CDS – foto: NASA/JPL
Řídicí počítač je naprogramován v jazyce Ada. Kapacita každého palubního záznamníku je 2,0 GB dat. Data získaná jednotlivými přístroji jakožto i technická data o stavu jednotlivých subsystémů jsou nejdříve zpracována CDS a zformátována do podoby vhodné pro jejich přenos a poté předána rádiovému systému, který zajistí jejich odeslání na Zemi. Každý z počítačů disponuje 512 kB paměti RAM a 8 kB programovatelné paměti PROM. Systém je schopný získávat a zpracovávat data z dalších subsystémů či vědeckých přístrojů rychlostí 430 000 bitů za sekundu. Ačkoliv se CDS skládá z řady částí, tou nejdůležitější je tzv. Engineering Flight Computer. Tento počítač, vyrobený společností IBM, komunikuje s dalšími zařízeními sondy prostřednictvím systému sběrnic splňujících standard MIL-STD-1750A.
"Vnitřní ucho"
Zatímco CDS je mozkem sondy, další systém zvaný Attitude and articulation control subsystem (AACS) můžeme považovat za její "vnitřní ucho", které nepřetržitě sleduje orientaci a polohu sondy v prostoru vzhledem k Zemi, Slunci, Saturnu a dalším objektům. Zajišťuje rovněž správnou pointaci vědeckých přístrojů včetně situací, kdy se sonda musí otáčet, aby příslušný přístroj mohl nepřetržitě sledovat požadovaný objekt. AACS obsahuje řadu senzorů, například redundantní sluneční čidlo, referenční jednotku pro sledování hvězd, akcelerometr, dvojici inerciálních jednotek tvořených setrvačníky, či pohonné jednotky kardanových závěsů raketového motoru a ovladače záložního reakčního kola.
Podobně jako v případě předchozího systému, i tento je tvořen dvojicí počítačů (jeden aktivní, druhý záložní) opět naprogramovaných v jazyce Ada. Tyto počítače zpracovávají příkazy řídicího systému (CDS) a ovládají pohonné jednotky sondy, ať už se jedná o hlavní raketové motory, korekční motory či reakční kola. Systém má opět k dispozici 512 kB paměti RAM a 8 kB PROM. V paměti počítače je uložen katalog obsahující na 5000 hvězd, podle kterých referenční jednotka sondu naviguje.
Autonomní řízení
Při obrovské vzdálenosti Saturnu od Země, na jejíž překonání potřebuje elektromagnetický signál od 68 do 84 minut, je naprostou nezbytností schopnost sondy reagovat na neobvyklé události, které ji postihnou. Sonda je schopna autonomně detekovat celou řadu odchylek od normálního režimu u jednotlivých systémů a využívat záložní hardwarové i softwarové zdroje, aby zajistila plnění vědeckých úkolů. Počítače obou systémů – jak CDS, tak i AACS – provozují takové ochranné programy, které nepřetržitě kontrolují zda nejsou porušeny standardní procedury. Příkladem může být ochrana proti ztrátě povelu z řídicího střediska.
Země se sondou komunikuje v pravidelných časových intervalech. Na palubě se odpočítává čas z určité hodnoty, a pokud dosáhne nuly, systém ví, že komunikace neproběhla. Může automaticky restartovat komunikační systém či zkusit komunikovat se Zemí pomocí záložního vybavení. Jinou možností reakce na neobvyklou událost vážnějšího rázu je uvedení sondy do tzv. "bezpečného" režimu. Při takovém postupu jsou přerušeny všechny standardní operace, vypnuty nekritické systémy a s nízkoziskovou anténou namířenou k Zemi očekává sonda příkazy. Během letu k planetě k takové situaci došlo třikrát, z důvodů, které byly poté vždy vysvětleny. Překonfigurování sondy a její návrat do normálního režimu trval v těchto případech zhruba týden.
Snímek měsíce Phoebe je mozaikou, která vznikla z více snímků pořízených ve vzdálenostech 12 až 16 tisíc km – foto: NASA/JPL/Space Science Institute
Komunikace
Spojení se Zemí zajišťují subsystémy rádiový a anténní. Pro účely komunikace se Zemí produkuje rádiový systém nosnou vlnu v pásmu X o frekvenci 8,4 GHz, moduluje ji daty získanými ze systému CDS, zesiluje pomocí 20W zesilovače a předává anténnímu subsystému. Podobným způsobem funguje i komunikace opačným směrem. Anténní subsystém přijímá signál ze Země vyslaný na frekvenci 7,2 GHz a předává jej rádiovému. Ten signál demoduluje a získané příkazy a data předá řídicímu systému.
Anténní subsystém se skládá z "velké", tzv. vysokoziskové antény o průměru 4 metrů, která je pohyblivá. Anténa je schopna přijímat signál hned ve čtyřech pásmech mikrovlnné části elektromagnetického spektra – jsou to pásma X, Ka, S a Ku. Kromě ní je sonda vybavena ještě dvojicí "malých" nízkoziskových antén. Zatímco jedna z nich je umístěna na sekundárním reflektoru hlavní antény, druhá je připojena ke spodní části sondy a je namířena zhruba kolmo ve směru zbývajících dvou antén.
Během letu vnitřní částí sluneční soustavy sloužila velká anténa jako sluneční štít chránící sondu před přehříváním přímým slunečním světlem. V této fázi výpravy (tj. asi 2,5 roku po startu) sloužily pro komunikační účely převážně obě malé nízkoziskové antény. Poté, co se sonda vzdálila od Slunce, převzala jejich úkoly téměř exklusivně velká anténa. Malé antény dále slouží jako komunikační kapacita pro nouzové případy.
Příkazy a data ze Země proudí na sondu přenosovou rychlostí 1 000 bitů za sekundu. Komunikace opačným směrem může probíhat různým tempem – od 14 220 po 165 900 bitů za sekundu. Přenosové rychlosti nízkoziskových antén jsou nižší. Obecné komunikační schéma během operací u Saturnu je následující. Každý den sonda shromažďuje po 15 hodin data na palubním záznamníku. Následujících 9 hodin (obecně v průběhu pokrytí pozemskou stanicí v Goldstone) tato data předává na Zemi. Pokud je zapojena 34m přijímací anténa, je tímto způsobem přenesen zhruba 1 gigabit dat denně. V případě použití 70m antény je možno tímto způsobem přenést až 4 gigabity dat denně.
Oba subsystémy zajišťují rovněž vědecký výzkum. Přijímač a vysílač v pásmu Ka (uplink/downlink na frekvencích 30/20 GHz) a vysílač pracující v pásmu S (2 – 4 GHz) slouží pro rádiové experimenty. Příkladem může být měření hmotnosti měsíců pomocí Dopplerova posuvu či studium prstenců či atmosféry planety při zákrytech. Přijímač v pásmu S je určen pro zachycení signálu vysílaného modulem Huygens. Konečně pro radarové studie například atmosféry a povrchu měsíce Titan slouží přijímače a vysílače pracující v pásmu Ku (14/11 GHz).
Pozemské stanice
Na straně Země zprostředkovávají komunikaci stanice sítě Deep Space Network (DSN). Ta je tvořena třemi stanicemi umístěnými po 120 stupních zeměpisné délky po obvodu naší planety. Jak už bylo zmíněno, hlavní tíhu spojení se sondou Cassini ponese stanice v Goldstone, která se nachází v Mojavské poušti v Kalifornii. Podobně jako dvě zbývající stanice je vybavena velkou 70m a menšími 34m anténami. U slabého signálu – i v případě sondy Cassini má palubní vysílač výkon pouhých 20 W – přicházejícího z obrovských vzdáleností v meziplanetárním prostoru hrozí nebezpečí ztráty informace v šumu.
Způsobů, jak se šumem bojovat, je hned několik. Předně jsou všechny stanice DSN vybaveny velmi citlivými přijímači. Protože se jedná o první zařízení, se kterým se signál po přijetí na příslušné stanici setká, jsou na něj kladeny velké nároky. Přímo v ohnisku parabolické antény je umístěný tzv. předzesilovač, který signál zesílí tak, aby už nebyl tolik citlivý na šum. Dále následuje telemetrický přijímač, který je umístěn mimo samotnou anténu a který připraví signál ke zpracování. Přijímače jsou kryogenicky chlazeny tekutým héliem na teploty blízké absolutní nule, aby nepřidávaly další šum k přicházejícímu signálu.
Další techniku pro boj se šumem je kódování signálu. Moderní sondy obecně nevysílají data v bitech ale v symbolech. Symboly jsou zakódovány v modulaci nosné vlny. Několik symbolů tvoří jeden bit podle toho, jaké kódovací schéma je použito. Cassini využívá tzv. konvoluční kódování, které každý bit popíše šesti symboly. (Detailněji o meziplanetární komunikaci v Computerworldu č. XY).
Vyřešení komunikačního problému s modulem
Letový software určený pro samotnou misi u Saturnu byl průběžně vylepšován a testován na Zemi ještě v průběhu cesty sondy k planetě. To umožnilo zjištění jedné hardwarové chyby, která by jinak znemožnila získat data od modulu Huygens při jeho sestupu do atmosféry měsíce Titan. Jak se ukázalo, elektromagnetický signál vyslaný z modulu směrem k orbitální sondě by vlivem příliš velkého Dopplerova posuvu nebylo možné anténou sondy vůbec přijmout!
Protože je palubní software modulu umístněn v paměti ROM, nelze jej tedy přepsat a muselo být vymyšleno jiné řešení hrozící situace. Uvolnění modulu a jeho sestup do atmosféry byl nakonec odložen o několik měsíců. To umožní zvětšit vzdálenost mezi sondou a modulem, čímž se zároveň sníží jejich vzájemná rychlost, protože orbitální část se v tu dobu bude pohybovat pomaleji. Dopplerův posuv tak nezpůsobí takovou změnu vlnové délky vysílaného signálu jako v případě původního plánu a data vyslaná atmosférickým modulem budou moci být v pořádku zachycena.
Modul Huygens
Modul Huygens se od mateřské sondy oddělí 25. prosince 2004, aby po 22 dnech samostatného letu vstoupil do atmosféry měsíce Titan. V tu dobu bude modul neaktivní s výjimkou jakéhosi "budíku". O 2,5 hodiny později dosedne na povrch měsíce. Během průletu atmosférou by měl modul být schopen díky tepelnému štítu přežít teplotu dosahující hodnoty až 18 000 stupňů. Modul o hmotnosti 318 kg a maximálním průměru 2,7 metru nemá vlastní zdroj elektrické energie. Po oddělení od Cassiniho jej bude energií zásobovat pětice baterií. Pokud přežije přistání na povrchu měsíce, měl by mít dostatek energie ještě na další půlhodinu fungování.
Kreslířova představa uvolnění modulu Huygens od mateřské sondy – foto: NASA/JPL
Podobně jako je tomu v případě systémů orbitální části sondy, i na přistávací sekci je řada systémů zálohována. Komunikaci s orbiterem bude zajišťovat dvojice vysílačů v pásmu S společně se dvěma kruhově polarizovanými anténami. Komunikace je jednocestná, to znamená, že sonda Cassini bude pouze přijímat signál vyslaný z modulu Huygeng. Pro tento úkol je vybavena dvěma nízkošumovými přijímači se dvěma podpůrnými jednotkami. Jako přijímací anténa bude sloužit anténa vysokozisková.
Řídicí systém modulu má dvě základní funkce – autonomní řízení jeho operací po oddělení od orbiteru a zajištění přenosu vědeckých a telemetrických dat, která budou následně uložena na záznamnících sondy. Po celou dobu bude zajišťovat časovou autoritu a na základě navigačních (výškoměr, akcelerometr …) dat spouštět jednotlivé mechanismy přistávacího manévru. Protože po oddělení nebude už dále možné modulu předávat další příkazy, jsou všechny části řídicího subsystému (Command and Data Management Subsystem) dvakrát či dokonce třikrát zálohovány.
Dvě řídicí jednotky provozující vlastní palubní software mohou řídit modul naprosto nezávisle. Jediné dva rozdíly mezi nimi spočívají v tom, že využívají jiné rádiové frekvence pro komunikace a že vysílání telemetrie z druhé jednotky je o šest sekund zpožděno, aby v případě dočasného přerušení spojení, například během sestupu atmosférou, nedošlo ke ztrátě dat. K opětovnému navázání ztraceného spojení by měla tato časová prodleva stačit. Každá z jednotek zahrnuje i kontrolu vlastního stavu a může sama sebe vyřadit z provozu a předat řízení druhé. Většina řídicího software byla naprogramována opět v jazyce Ada a je umístněna v pamětích typu EPROM.
Nové technologie
Při vývoji sondy Cassini/Huygens byla aplikována řada nových technologií. Většina z nich byla už využita při předchozích menších misích, během kterých se plně osvědčila. Při jejich posuzování je ovšem nutno mít na paměti, že sonda byla vypuštěna do vesmíru před sedmi lety a tomu také úroveň využitých technologií odpovídá. Jedním z nejdůležitějších počinů je vůbec první nasazení polovodičových palubních záznamníků dat. Ty jsou zcela bez jakýchkoliv pohyblivých částí. Jejich kapacita na počátku mise byla 2,0 GB. Nyní jsou již takové záznamníky standardem a využívá jich řada současných kosmických výprav.
V hlavních počítačích sondy je využito nových integrovaných čipů. Mezi nimi jsou tzv. Very High Speed Integrated Circuits, jež byly vyvinuty v rámci vládního kontraktu. Jejich použití v aplikačním počítači GVSC 1750A sondy Cassini je vůbec jejich prvním civilním využitím. Další skupinu tvoří tzv. Application-Specific Integrated Circuits, které byly speciálně pro tento projekt vyvinuty. Jedná o výkonné čipy se zesílenou ochranou proti záření. Každý z nich nahrazuje zhruba stovku tradičně užívaných čipů. Ve srovnání s předchozími velkými výpravami jako Galileo či Magellan bylo jejich užitím dosaženo významné finanční, hmotností i objemové úspory (1/3 hmotnost i objemu datového systému).
Novinkou je i palubní vysílač pro pásmu X, který je ve srovnání s předchozími projekty rovněž nižší hmotnosti, s nižší spotřebou energie a více chráněn proti intenzivnímu záření.
Závěr
Planeta Saturn a její okolí je unikátním systémem, v podstatě samostatnou planetární soustavou. Její výzkum by měl vědcům pomoci zodpovědět mnohé základní otázky vzniku a vývoje planet, jakožto i života samotného. Celkem 18 přístrojů bude zaměřeno na atmosféru planety, její systém prstenců i rozmanitou – a ve Sluneční soustavě největší – sbírku měsíců. Speciální pozornost bude věnována měsíci Titan, jehož hustá atmosféra naznačuje podobnost s pradávnou atmosférou naší planety. Na výpravě se podílí na 260 vědců ze Spojených států a 17 evropských zemí. Je mezi nimi i Česká republika. Výprava stála přes 3 miliardy dolarů. Očekávání jsou veliká a už první data odeslaná sondou na Zemi ukazují, že nás skutečně čeká žeň objevů.
Snímek planety Saturn pořízený sondou Cassini 7. května 2004 ze vzdálenosti 28,8 miliónu kilometrů – foto: NASA/JPL/Space Science Institute
