Ebb a Flow narazily do Měsíce  
Úspěch, který zaznamenala v roce 2002 americko-německá dvojice družic GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) na oběžné dráze Země v podobě velmi podrobné gravitační mapy naší rodné planety, inspiroval NASA k naplánování podobné akce.

 

Zvětšit obrázek
http://blog.kosmonautix.cz/

Tentokrát se mise měla týkat Měsíce. Vybavení k měření gravitačních anomálií bylo podobné koncepce jako na družicích GRACE s tím rozdílem, že u Měsíce nelze použít signál GPS, takže musí příjít na řadu jiný způsob, který si představíme v článku. Design si GRAIL vypůjčil z Experimental Small Satellite-11 (XSS-11) firmy Lockheed Martin a systém avioniky vycházel ze sondy Mars Reconnaissance Orbiter, která nám stále poskytuje cenná data z oběžné dráhy Marsu.


V květnu 2011 dorazily na floridský kosmodrom sondy GRAIL-A a GRAIL-B. Velikostí připomínaly větší automatickou pračku. Tomu odpovídala i hmotnost 201 kg. Po naplnění palivem se zvedla na 307 kg. Sondy byly téměř identické, lišily se jen v drobných detailech jako byla například poloha kamer a hvězdného trackeru. Důvodem byla nutnost otočení sond anténami k sobě, čili sondy navzájem připomínaly svůj obraz v zrcadle. O dodávky energie se staraly panely solárních článků. Každý o maximálním výkonu 700 W. Energii ukládaly li-ion baterie s kapacitou 30 Amperhodin. Té mělo být dostatek. Soustava byla mírně předimenzována neboť se počítalo s tím, že některé pole solárního panelu přestane pracovat. Solární panely záměrně neměly automatické natáčení ke Slunci, které by zlepšilo dodávku elektřiny. Pohyb panelu by mohl negativně ovlivnit měřené odchylky v dráze.


Jako pohon posloužil hydrazinový motor MR-106L s tahem 22N. Na drobné korekce stačily trysky se zahřátým plynem. Zajímavé je, že systém byl navržen jako single-string to znamená, že nebyl zdvojen. Inženýři to však u takto krátké mise vyhodnotili jako přijatelné riziko. O zpracování dat se staral procesor RAD-750, což je radiaci odolná verze procesoru IBM PowerPC 750,  který dobře znají majitelé Macintosh G3. K dispozici byla 128 MB RAM a 512 MB volného prostoru na paměťové kartě. NASA používá RAD-750 pro meziplanetární sondy docela často. Z dalších uživatelů můžeme jmenovat teleskop Kepler, LRO, MRO nebo vozítko Curiosity.

 

Zvětšit obrázek
Dráha sond GRAIL zdroj:nasa.gov

Po všech možných testech byly oba GRAILY připojeny k nosné raketě Delta-II (podrobnosti o konfiguraci nosiče najdete zde)  a odvezeny na startovací komplex 17B.

 

Po několika odkladech z důvodu špatného počasí se konečně 10.září 2011 raketa Delta-II zdvihla ze startovací rampy a zamířila s oběma sondami na oběžnou dráhu Země, kde se opakovanými zážehy druhého stupně vydaly sondy na cestu k Měsíci. První se odpoutal GRAIL-A. Pak se ještě jednou zažehl 2.stupeň Delty-II a došlo k odpojení GRAIL-B. Narozdíl od Apolla, které potřebovalo k dosažení Měsíce pouhé tři dny, letěly obě sondy přes librační bod1 Země-Slunce k Měsíci 3,5 měsíce po dráze dlouhé 4 milióny km s několika korekčními zážehy, které jsou naznačeny na obrázku. GRAIL-A tak dorazil k Měsíci na Silvestra 2011 ve 22:21 našeho času a GRAIL-B 1.ledna 2012 ve 23:05 SEČ. Okolo jižního měsíčního pólu se dostaly na polární eliptickou dráhu s dobou oběhu 11.5 hodiny. Postupnými zážehy v místě největšího přiblížení se jim podařilo dráhu upravit na téměř kruhovou s dobou oběhu 2 hodiny a výškou 55 km nad povrchem. To se povedlo do března 2012. Mezitím ale proběhla studentská soutěž o pojmenování obou sond. Takže k samotné vědecké misi už byly místo fádního označení GRAIL-A a GRAIL-B připraveny sondy Ebb (odliv) a Flow (příliv).

 

Zvětšit obrázek
Použitá pásma sond GRAIL zdroj:nasa.gov


Použitá trajektorie příletu k Měsíci měla několik výhod. Předně umožnila navedení na oběžnou dráhu Měsíce velmi nízkou rychlostí a spotřebovalo se také méně paliva. Technici stačili během cesty provést všechny možné testy komponent na palubě. Tepelně se stačil během dlouhé cesty ustálit chod hlavního zařízení: ultra-stabilního oscilátoru. Ten musí všem ostatním zařízením na palubě poskytovat stálý referenční signál na přesně dané frekvenci. Toto zařízení de facto nahrazuje systém GPS, podle kterého se mohl synchronizovat u Země předchůdce GRAILu.


Princip měření gravitačních odchylek byl následující. Frekvence ultrastabilního oscilátoru byla převedena do frekvence v Ka-pásmu. Tuto frekvenci si sondy mezi sebou vysílaly a pomocí ní zjišťovaly změny vzájemné vzdálenosti a rychlosti. Spolu komunikovaly obousměrně v pásmu S. V tomtéž pásmu si také vyměňovaly data s pozemním střediskem přes síť Deep Space Network. To shromažďovalo hlavně informace o odchylkách referenční frekvence. Z dat se nechají získat údaje o gravitačních anomáliích a o rozložení podpovrchové hmoty.


Pro kontrolu vysílaly obě sondy frekvenci v pásmu X, která byla přesným násobkem referenční frekvence. Na Zemi ji přijímal Dopplerův radar, který by dokázal odhalit případnou odchylku. Toto měření se provádělo samozřejmě pouze v případě, že Země byla vidět.


Součástí mise GRAIL byl i studentský projekt MoonKAM, volně navazující na dodnes aktivní program EarthKAM, provozovaný z paluby raketoplánu a nyní i z ISS. Patronkou projektu byla první americká astronautka Sally Ride. Na každé sondě se nacházely 4 kamery velikosti lidské dlaně. 1-3 měly 6 mm objektiv. Kamera 1 směřovala dolů, kamery 2 a 3 do stran pod úhlem 60 °. Kamera č.4 byla vybavena objektivem 50 mm pro větší detaily. Směřovala dolů k povrchu Měsíce. Všechny byly schopné pořizovat statické snímky nebo video rychlostí 30 snímků za sekundu. K ukládání a zpracování snímků před odesláním sloužila společná řídící jednotka.


Co se bude fotit respektive natáčet si určovali sami studenti. Ti sledovali aktuální trajektorii sond a zadávali si požadavky na snímání zajímavých oblastí Měsíce. S přehledem vyhrávala místa na odvrácené straně našeho souputníka. Poměrně časté byly pokusy o vyfotografování “východu Země”. Scenérii, kterou tak nádherně zachytila posádka Apolla 8, když se zapisovala do učebnic historie prvním obletem Měsíce člověkem.

 

Zvětšit obrázek
MoonKAM a jejich umístění na sondě GRAIL zdroj:nasa.gov


Měření gravitace respektive odchylek v trajektoriích obou sond začalo v březnu 2012 a trvalo 89 dní. Ebb a Flow stačily za tu dobu přeletět nad každým místem Měsíce 3x. Jelikož sondám zbylo dost paliva a navíc se ukázalo, že kondice baterií je lepší než se papírově předpokládalo, bylo rozhodnuto o prodloužení mise a snížení oběžné dráhy, které mělo zajistit ještě přesnější výsledky. Nejprve byly sondy převedeny až do srpna 2012 do udržovacího stavu, ve kterém si musely poradit i se zatměním Měsíce (4.červen). V srpnu byla výška jejich oběžné dráhy snížena na 23 km a postupně se dostala až na pouhých 8 km nad povrchem. To už se pomalu blížil prosinec a s ním konec mise.

Zvětšit obrázek
Mapa rozložení gravitačních anomálií zdroj:nasa.gov

Řídící středisko spolu s vědci rozhodlo, že obě sondy ukončí svou existenci řízeným nárazem do Měsíce. Těsně před zánikem ale pomohou budoucím misím finálním experimentem, jenž zpřesní odhady zbývajícího paliva v nádržích kosmických strojů. Ebb a Flow před samotným dopadem zapnuly naposled své motory a nechaly je pracovat do vypotřebování všeho paliva z nádrží. Ebb vydržela s palivem 4 minuty a 3 sekundy, Flow dokonce ještě o minutu déle.


Samotný dopad nastal v samém konci 17.prosince 2012. Cílem byla oblast v okolí severního pólu blízko kráteru Goldschmidt. Ebb dopadla ve 23:28:51 SEČ a Flow o 27 sekund později. Oblast dopadu byla pojmenována po astronautce Sally Ride (viz. MoonKAM), která se bohužel konce mise nedočkala. Zemřela 23.července 2012. Žádné snímky ani video z dopadu k dispozici nejsou. Oblast sice byla na přivrácené straně, ale panovala tam v tu chvíli lunární noc. Takže řídící středisko mohlo obdržet maximálně telemetrické údaje a referenční signál.


Předpokládaný dopad sond:

Zdroje informací:
http://www.kosmonautix.cz
http://www.nasa.gov/
http://www.nasa.gov/
http://www.nasa.gov/
http://www.spaceflight101.com/
http://en.wikipedia.org/
Zdroje obrázků:
http://en.wikipedia.org/wiki/File:GRAIL_-_GRAIL-logo-sm.png
http://www.nasa.gov/images/content/613150main_Lehman-3-673.jpg
https://moonkam.ucsd.edu/images/about-camera_diagram_1.jpg
http://www.spaceflight101.com/uploads/6/4/0/6/6406961/7354314.jpg?518
http://www.nasa.gov/centers/jpl/images/content/711817main_pia16578-43.jpg
Psáno pro Kosmonautix.cz a Osel.cz

Datum: 05.01.2013 23:06
Tisk článku

Měsíc - Pang Hannah
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 420 Kč
cena: 353 Kč
Měsíc
Pang Hannah
Související články:

Mnoho podob Luny a jak se chovat při zatmění Měsíce     Autor: Zdeněk Kratochvíl (14.07.2019)
Nový typ těles: Osiřelé měsíce by se mohly stát plunetami     Autor: Stanislav Mihulka (12.07.2019)
Soukromá izraelská sonda letí přistát na Měsíci. Bude tam za 7 týdnů     Autor: Stanislav Mihulka (23.02.2019)
Nefritový králík se probudil po měsíční noci     Autor: Vladimír Wagner (01.02.2019)
Špatná zpráva? Život se možná na Zemi objevil díky gigantické srážce     Autor: Stanislav Mihulka (26.01.2019)



Diskuze:

Martin Plec,2013-01-08 01:19:26

Ačkoli (nebo právě proto že) dělám v IT, je pro mě dost těžko představitelné, že je někdo takové ohromné množství dat schopen v reálném čase zpracovat. Vždyť Země má plochu ~510 mil. km^2. Potřebné rozlišení topografických map bude asi muset být aspoň v arech, tj. 5.1*10^12 arů, což dává desítky či stovky terabytů. Pro každou polohu družice se musí provést - dle mého názoru - dost složitý výpočet, protože družice měří změny gravitace jen ve směru letu, ale zemská gravitace na ni působí i ze stran; hustota průletů nad jedním místem nebude moc velká, takže do stran bude mnohem méně naměřených údajů; při každém průletu budou družice v trochu jiné výšce; terén se mění v čase atd. Navíc přesnost topografické mapy asi nebude moc velká, protože např. v lesnatých oblastech bude záležet, od které větve se paprsek odrazil, v horách zase od kterého skalního výstupku. Nehledě na to, že kvůli zemským pohybům nebude mít topografická mapa moc dlouhou platnost, resp. její přesnost se bude s časem snižovat.

Pokud opravdu dokáží takhle složité výpočty provádět a získat z nich smysluplné výsledky, tak klobouk dolů. Leda že by se ty výpočty prováděly jen pro některé menší vybrané oblasti, kde je shodou okolností k dispozici dost naměřených údajů.

Odpovědět


Martin Plec,2013-01-08 01:20:37

To byla reakce na Pavla Brože.

Odpovědět


opět máte pravdu

Pavel Brož,2013-01-08 20:35:01

ano, už v tehdejší době to byla záležitost enormní výpočetní náročnosti a provozovat tuto vědu bez patřičného dostatečně dimenzovaného výpočetního zázemí bylo opravdu nemyslitelné. Mimochodem, také se živím v IT. Na druhou stranu, tyto výpočty se samozřejmě nedělají tak, že se vezme nějaký středoškolský fyzikální model, a pouze se to "vopepří" brutálním výpočetním výkonem. To je samozřejmě nesmysl, tímto způsobem by bylo možno naprosto promarnit klidně i výkon kvadriliónkrát větší bez nějakého významného efektu. Bez sofistikovaných matematických metod, např. z oblasti funkcionální analýzy, integrálních rovnic, variačního počtu, atd. atd., by to prostě nešlo.

A samozřejmě přesto všechno mají tyto metody své limity. Je určitě velký rozdíl v tipování nalezišť těžkých kovů v placaté a téměř holé australské buši, a něco jiného v členitém pohoří. V tom druhém případě je to řekl bych dodnes nemožné.

Mimochodem, můj bratr je geolog, a živí se ve světě mj. hledáním malých ložisek hlín vhodných pro výrobu keramiky, ale i cihel atd.. Typický příklad toho, s čím družice opravdu nepomůžou, tam je práce zkušeného geologa v terénu naprosto nezastupitelná.

Odpovědět

Rozlišení

Martin Plec,2013-01-06 22:39:14

Jaké je rozlišení takto pořízené gravitační mapy? Pavel Brož píše, že se tak dají vytipovat naleziště rud, takže rozlišení musí být desítky až stovky metrů. To je docela s podivem vzhledem k tomu, že družice Grace létaly stovky kilometrů nad Zemí.

Odpovědět


ad rozlišení

Pavel Brož,2013-01-06 23:07:04

Během studií teoretické fyziky jsme měli první tři ročníky spojené s dalšími meteorology a klimatology, astrofyziky a astronomy, a geofyziky (celé dohromady se to jmenovalo Fyzika mezních oborů). Geofyzik prof. Zdeněk Martinec nám dělal vedoucího učitele naší slepené skupiny, takže jsem měl za ta léta dostatek příležitostí čerpat velice zajímavé dílčí informace z jeho oboru. Jednou z těchto útržkovitých informací bylo právě přesně to, na co se ptáte, tj. velikost takto nalézaných ložisek. Prof. (tehdy doktor) Martinec mě řekl, že pomocí laserově přesného sledování výšky družice vylo již v té době (polovina osmdesátých let) možnost tipovat ložiska o velikosti byť jen několika stovek metrů velká.

Pomocí laserového měření bylo možno měřit výšku družice s přesností na centimetry. Družice Grace šly ale ještě dále. Princip jejich měření je ten, že letí v tandemu za sebou a svou vzájemnou vzdálenost měří mirkovlnným laserovým paprskem s využitím interference, tj. s přesností řádově v násobcích délky mikrovlnného záření. Spolu s určováním pozice družic s využitím GPS je pak možné získat extrémně přesná měření - anglická Wikipedie uvádí přesnost měření vzájemné vzdálenosti družic 10 mikrometrů (družice letí 220 km za sebou), a z drobných variací této vzdálenosti je pak možné získat až tisícinásobné zpřesnění předchozích měření (což ale neznamená, že nyní je možno hledat ložiska velká necelý metr, takhle to zase nefunguje).

Odpovědět


Martin Plec,2013-01-07 09:46:05

Že lze tak přesně měřit vzájemnou vzdálenost družic nebo výšku nad zemí, tomu rozumím. Jenomže vzdálenost/výšku družic neovlivňuje jen to místo, nad kterým družice právě letí, ale s různou váhou i mnoho stovek kilometrů zemského povrchu ve všech směrech. A kromě zemského povrchu i zemské hlubiny. Takže úloha tímto způsobem zjistit, co se skrývá pod zemí, mi připadá ještě o řád nebo dva obtížnější než počítačová tomografie. Základem asi musí být přesná topografická mapa zemského povrchu (nasnímaná družicemi z vyšší výšky?), s kterou se ta gravimetrická měření porovnávají.

Odpovědět


samozřejmě, je to přesně tak jak píšete

Pavel Brož,2013-01-07 23:14:31

Přesná topografická mapa je základ. Dalo by se říci, že je to do značné míry provázaný problém, jakási analogie problému vejce a slepice. Abyste získal dostatečně přesnou a tím i hustou topografickou mapu včetně mnoha špatně přístupných míst, k tomu vám dopomůžou svým měřením družice. Nicméně pohyb družic je určován gravitačním potenciálem, a ten je dán integrálem distribuce hmoty. Svým způsobem se tak iterativně zpřesňuje jak zpřesňování gravitační mapy, tj. distribuce hmot, tak také topografie celé planety.

Díky družicím bylo možno se dostat na takovou míru přesnosti, že bylo nutné uvažovat také dynamiku pozemské topografie. Ono málo platné, ale Země není pevná jako diamant, ale různě se boulí, a ty boule se v pozorovatelných časových intervalech mění. Někde se něco zvedá, jinde klesá, jinde posunuje, zčásti kvůli slapovým silám, zčásti kvůli tektonice nebo vulkanismu, jindy za to může pouze sezónní přibývání či ubývání ledu, atd. atd.. A on nakonec i ten diamant, pokud by byl veliký jako naše planeta, by se taky všelijak boulil, přinejmenším v důsledku slapových sil. Takže toto všechno správně započítat a dospět k v rámci dosažitelné přesnosti hodnověrným výsledkům, to je opravdu práce pro hodně lidí a vyžadující hodně strojového času. Nicméně zlepšení o každý řád v tomto nekonečném závodu o zpřesňování otevírá pokaždé nové možnosti využití, a to právě protože s každým takovým zpřesněním dokážete podchytit mnohem širší okruh jevů, které se do měřených efektů promítají. A když dokážete měřit opravdu hodně, ale hodně přesně, tak si pak můžete troufnout na věci jinak naprosto nemyslitelné - měření jemných obecně-relativistických efektů (družice Lageos, Gravity Probe B, již zmíněné Grace), měření dynamiky zemského pláště, oceánů, ledovců, atmosféry, můžete začít uvažovat o experimentech, které vám umožní nahlédnout hluboko do nitra Země, můžete mnohem lépe fitovat modely, které vás pak mohou lépe varovat před blížícími se erupcemi sopek či narůstajícím pnutí na rozhraní kontinentálních desek (díky dmutí povrchu na kritických místech), atd. atd..

Zkrátka a jednoduše řečeno, určování přesných topografických map a stejně tak i přesných map gravitačního pole je velice obtížný a nikdy nekončící úkol, který přitom přináší velice hodně užitku.

Odpovědět

pěkný článek, děkuji

Pavel Brož,2013-01-06 12:38:15

a také pěkný pěkný projekt. Pozemské variantě tohoto projektu, družicím Grace, vděčíme za extrémně přesné zmapování gravitačního pole Země, včetně proměnných vlivů působených např. dmutím oceánů, změnami ledovců, oceánskými proudy, termální expanzí atd.. Obecně, satelitní gravimetrie je používána geofyziky už desítky let, praktickými výstupy jsou především nová potenciální naleziště některých rud, projekt Grace ale představoval významný milník, a přinesl až tisícinásobné zpřesnění tehdejších měření.

Podobně jako projekt Grace, který ač širší veřejnosti ne moc znám, přinesl množství užitečných poznatků, které mohou sloužit jako přesné "podkladové mapy" v mnoha vědeckých oborech, tak i projekt Grail přinesl přesné gravitační mapy, které jednak přispějí k lepšímu pochopení struktury a historie Měsíce, a jednak je třeba budou někdy v budoucnu využívat měsíční kolonisté.

Odpovědět


grace

Tomáš Kohout,2013-01-06 13:22:05

Ano, Grace je skutečně nedoceněná mise, která proběhla bez většího zájmu veřejnosti. Může nás těšit, že tento projekt nebyl čistě americký, ale podílela se na něm i německá firma DLR. I sama ESA má své želízko v ohni a sice družici GOCE, která sice měří gravitační odchylky na trochu jiném principu, ale vykázala také velmi cenné výsledky. Navíc teď vstoupila na nižší oběžnou dráhu, která jí umožní změřit ještě přesnější hodnoty.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni
















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace