ExoMars 2016 – jak se dostat na Mars?

„Naše“, evropská sonda ExoMars má za sebou šest měsíců cesty. Mars už má na dosah. Jako každý komplikovaný projekt má za sebou už i první drama. Jak vypadá typická cesta sondy na Mars a jaké problémy musela sonda překonat?

U Marsu za pár týdnů zakotví další pozemská sonda. Tentokrát ji nevyslala americká NASA. K rudé planetě se dostane přístroj, který připravila evropská společnost ESA.

Skládá se ze dvou částí. Jedna z nich zůstane na oběžné dráze a bude se zabývat koncentrací a výskytem různých plynů v marsovské atmosféře. Při troše štěstí by mohla potvrdit nebo vyvrátit možnost, že na Marsu existuje život v podobě mikrobů, když najde plyny, pocházející z jejich metabolismu. Druhá část přistane na povrchu planety. Vyzkouší přitom nové technologie a postupy. Bude testovat jejich použitelnost v budoucích misích.  

Cesta k Marsu

Jak se vůbec může dostat sonda z naší planety na jinou? Proč přitom musí absolvovat jednu nebo více dráhových korektur?

Princip cesty k blízkým planetám je překvapivě jednoduchý. Přitom je let k vnější planetě (Mars se nachází vně heliocentrické dráhy Země) dokonce energeticky méně náročný než let k vnitřní kolegyni, která se nachází uvnitř dráhy Země blíže ke Slunci. Může za to spotřeba paliva během brzdění u cíle. Let k Marsu je tedy jednodušší než třeba k Venuši nebo dokonce k Merkuru.

Několik faktů

1. Země i Mars, stejně jako většina ostatních planet naší soustavy, obíhají Slunce téměř v jedné rovině. To celou věc prostorově zjednodušuje.

2. Země je přitom Slunci trochu bližší než Mars. Při letu k Marsu je potřeba méně paliva než při letu k Venuši – díky méně náročnému brzdnému manévru u cíle.

3.  Fyzikální zákony nutí blízké planety obíhat kolem Slunce rychleji než vzdálenější planety. Mars a Země obíhají Slunce různými rychlostmi. Čas od času se tedy Země i Mars nacházejí v obzvlášť příznivé vzájemné poloze.

 V zájmu úspor paliva startuje sonda ve směru pohybu Země. Využívá tak rychlosti oběhu Země kolem Slunce. K této rychlosti se pak už jen přičítá vlastní rychlost, na kterou ji urychlily startovací motory.

Sonda musí startovat v příznivém momentě. Je to tehdy, když se Mars nachází na oběžné dráze kolem Slunce „před“ naší planetou. Vhodnou pozici zaujímají obě planety ovšem jen každých 26 měsíců.  

Jedna z typických drah našich sond je vidět na obrázku nahoře. Dráha sondy je znázorněna zelenou barvou, dráha Země modrou a dráha Marsu červenou. Země se pohybuje kolem Slunce rychleji než Mars, už během letu sondy k Marsu ho na oběžné dráze „předběhne“. V době, kdy sonda přistává, se jí i Marsu Země vzdaluje.

Přesně to se stane i během expedice ExoMars.

Deep Space manévr

Sonda startovala k Marsu letos 14. března. Při startu dostala vlastní rychlost 3,7 km/s. Nejprve Zemi  (díky své vyšší rychlosti) trochu předběhla, postupem doby se ale začal její let zpomalovat. Na vině je přeměna kinetické (pohybové) energie sondy na potenciální („výškovou“) energii v gravitačním poli Slunce. Zpravidla proto musí sondy během letu absolvovat manévr, kterému se říká DSM – deep space manévr. Zažehnou hlavní motory, aby urychlily svůj let.

U naší sondy ExoMars proběhl tento manévr 28. července. Motory pracovaly 50 minut a spálily přitom 420 kg paliva. Poté následovalo nové proměření dráhy, její výpočty a další, tentokrát daleko méně výrazný manévr.

Korektury kursu a změna rychlosti sondy tedy byla plánovaná a nebyla způsobena chybou ve výpočtech nebo technickými problémy sondy. Její let je dosud bezproblémový. To se ovšem nedalo říci o jejím startu.

Komplikovaný start mise ExoMars 2016

ExoMars měla startovat původně už v lednu 2016. Měla se dostat na tzv. Hohmannovu dráhu, která by ji po zhruba deseti měsících dovedla až do blízkosti Marsu.

Už tehdy ale došlo k technickému zpoždění, takže start musel být odložen až na březen. To samo o sobě není nijak neobvyklé nebo dramatické.

ExoMars byla uvedena na tzv. Hohmannovu dráhu II. typu. Její princip vidíte na obrázku vpravo.

Modrá dráha je původní, červená dráha je rychlejší dráha II. typu. Ta je o něco kratší, sonda při ní ale musí získat vyšší rychlost. Spotřebuje více paliva jak na urychlení, tak při brzdném manévru blízko Marsu.

Ruská nosná raketa

Nosnou raketu pro tuto misi tentokrát nedodala NASA, ale Roskosmos. Její agregát Proton-M není na rozdíl od americké rakety Atlas-V moc úspěšný. Při 94 startech desetkrát selhal. Start byl proto o něco napínavější než obvykle.

Naštěstí se povedl. Přesto trval nezvykle dlouho, přes 11 hodin. Celkově relativně slabá raketa vyžaduje komplikované manévry a start probíhá v několika etapách.   

První tři stupně urychlí sestavu na 7800 m/s. Dostane se tak do výšky 175 km. Když za půldruhé hodiny prolétá nad rovníkem, zažehnou se motory podruhé a převedou sondu na eliptickou dráhu. Její nejvzdálenější bod leží ve vzdálenosti 5000 km. V perigeu této dráhy se zažehnou raketové motory potřetí. Sonda se tentokrát dostane na ještě protáhlejší eliptickou dráhu. Její nejvzdálenější bod je tentokrát 21 000 km. Další zážeh už dodá sestavě dostatečnou rychlost na to, aby mohla opustit Zemi a vydat se na svou dlouhou cestu k Marsu.

Exploze, která mohla celou  misi zhatit

Všechny tyto manévry proběhly podle plánu. Na pozemní personál přesto čekal pořádný šok. Stupňovitý start je pro techniku pořádnou zátěží.

Několik hodin poté, co sonda  obdržela potřebnou rychlost a jen pár hodin poté, co se od ní oddělila teď už nepotřebná pohonná jednotka Briz-M, zaregistrovalo řídící středisko silnou explozi. Dalekohledy poté napočítaly devět úlomků, které se pohybovaly ve směru letu někdejší Briz-M.

Sonda ExoMars byla v té době od své bývalé pohonné jednotky  vzdálená jen několik kilometrů. Zdá se ale, že ji exploze neporušila.

Pokračování příště:

Může se ještě něco pokazit? ExoMars 2016 – přílet k Marsu