Zprávy ze světa

151cd_illustration3
29.02.2020

Japonská družice Tsubame...

… byla za svůj výkon posmrtně zapsána do Guinnessovy knihy rekordů.

Původní jméno družice bylo SLATS (z angl. Super Low Altitude Test Satellite) a tento akronym popisuje její hlavní cíl – testování změn výšky oběžné dráhy a testování funkčnosti družice v extrémně nízkých výškách. Až v roce 2014 dostala družice SLATS z propagačních důvodů po veřejné soutěži o její nové jméno poetičtější přezdívku Tsubame, což je japonské slovo znamenající vlaštovku obecnou. Vzhledem k poměrně elegantnímu tvaru družice i testovaným změnám výšek letu to je celkem pochopitelná volba.

Obr.: Družice SLATS / Tsubame měla hmotnost 383 kg, rozměry 2.5 x 5.2 x 0.9 metru. Pro svůj iontový motor nesla zásobu 10 kg Xenonu a pro chemický raketový motor 34 kg hydrazinu (chemický vzorec N2H4). Zdroj: JAXA

 

Obr.: Družice SLATS / Tsubame měla hmotnost 383 kg, rozměry 2.5×5.2×0.9 metru. Pro svůj iontový motor nesla zásobu 10 kg Xenonu a pro chemický raketový motor 34 kg hydrazinu (chemický vzorec N2H4). Zdroj: JAXA

Družici SLATS / Tsubame (hmotnost 383 kg) vynesla jako sekundární náklad raketa H-IIA (H-2A) z kosmodromu Tanegashima 23.12.2017. Primárním nákladem byla větší družice GCOM-C (hmotnost 2093 kg), která má za úkol provádět pozorování Země vztahující se ke koloběhu uhlíku a energetické bilanci Země, vlivů podstaných pro klimatickou změnu.

Obr.: Startovní rampa na ostrově Tanegashima dne 23.12.2017 při startu rakety H-IIA vynášející družice GCOM-C a  SLATS / Tsubame. Zdroj: JAXA

 

Obr.: Startovní rampa na ostrově Tanegashima dne 23.12.2017 při startu rakety H-IIA vynášející družice GCOM-C a SLATS / Tsubame. Zdroj: JAXA

Japonské raketové nosiče H-II jsou oceňované pro vysokou spolehlivost, rakety H-IIA
od prvního startu v srpnu 2001 uskutečnily do současnosti 41 startů a selhala pouze jedna v listopadu 2003. Silnější varianta H-IIB od prvního startu v září 2009 zatím vzlétla 8krát a neselhala ani jednou.

Obr.: Detail japonské rakety H-IIA, která se řadí mezi střední nosiče. Raketa má výšku 53 metrů a startovní hmotnost 285 000 kg. Zdroj: JAXA

 

Obr.: Detail japonské rakety H-IIA, která se řadí mezi střední nosiče. Raketa má výšku 53 metrů a startovní hmotnost 285 000 kg. Zdroj: JAXA

Svůj zápis do Guinnessovy knihy světových rekordů si družice SLATS / Tsubame vysloužila od 23. do 30. září 2019, kdy si za pomoci svých motorů po dobu 7 dnů aktivně udržovala rekordně nízkou oběžnou dráhu ve výšce 167.4 km. Pro družici je delší stabilní řízený let v extrémně nízkých výškách velkým úspěchem. Takové výšky jsou totiž zároveň příliš vysoko pro letadla a příliš nízko pro družice, které se tu musí potýkat hned s několika problémy.
V současnosti je všeobecně přijímanou hranicí vesmírného prostoru výška 100 km
nad povrchem Země, tzv. Karmánova mez. Hustota vzduchu přes tuto hranici je natolik nízká, že tu už letadla nemohou létat za pomoci vztlaku ze svých křídel. Družici při průletu nízko nad touto hranicí sice odpor vzduchu nedokáže rychle mechanicky zničit, ale příliš jí brzdí, družice se tu dlouhodobě neudrží.
Za udržitelné nízké oběžné dráhy družic Země se považují takové, jejichž nejvzdálenější bod (tzv. apogeum) je ve výšce 160 až 2000 kilometrů nad povrchem Země. Rychlost objektů na takové dráze je zhruba 7.8 km/s, tj. 28 080 km/h, takže i velmi řídká vnější atmosféra má na jejich pohyb citelný vliv.
Zemská atmosféra je navíc proměnlivá a její hustota ve vysokých výškách se mění například i vlivem sluneční aktivity, takže není předem zcela přesně předpověditelné, jak velký odpor bude klást. Například Mezinárodní vesmírná stanice ISS obíhá Zemi ve výšce okolo 400 km a ani tady není odpor vzduchu zanedbatelný, stanice každý den klesá zhruba o 100 metrů. Čím níže klesne, tím je odpor vzduchu větší a klesání se urychluje. Pokud by výška oběhu nebyla pravidelně upravována, ze současné výšky by stanice klesla a shořela v zemské atmosféře během několika měsíců. Její poměrně nízká oběžná dráha byla zvolená pouze z důvodu snadnější a levnější dopravy velkých a těžkých nákladů, jako je pravidelné zásobování, doprava nových přístrojů a celých nových modulů.
Na rozdíl od Mezinárodní vesmírné stanice jsou všechny družice odkázané jen na svou omezenou zásobu raketového paliva. V současnosti navíc platí pravidlo, že poslední zbytky paliva by měly být použité na odsunutí dosluhující družice z nejvyužívanějších oběžných drah buď do atmosféry Země, kde shoří, nebo alespoň na nějakou vhodnou málo vytíženou parkovací dráhu, kde neovladatelná družice nebude překážet a nebude tam hrozit příliš velké nebezpečí srážky s jinými objekty.
Na nižších oběžných drahách by tedy družicím palivo pro korekce dráhy mohlo dojít výrazně dříve, než kdy skončí technická životnost družice. Pracovní dráhy nových
a drahých komerčních družic jsou proto volené ve výškách přes 600 km.
Pouze vojenské a špionážní družice, kde je prioritou podrobnost a aktuálnost pořizovaných dat a dlouhodová životnost je vedlejší, jsou většinou buď v nižších výškách a nebo na protáhlých eliptických drahách.

Obr.: Snímky pořízené družicí SLATS / Tsubame, vlevo snímek pořízený z výšky 381.1 km s rozlišením podrobností na povrchu Země 110 cm, vpravo snímek téhož území pořízený stejným přístrojem z výšky 181.1 km, kde díky nižší výšce pořízení snímku bylo dosaženo rozlišení 52 cm. Zdroj: JAXA

 

Obr.: Snímky pořízené družicí SLATS / Tsubame, vlevo snímek pořízený z výšky 381.1 km s rozlišením podrobností na povrchu Země 110 cm, vpravo snímek téhož území pořízený stejným přístrojem z výšky 181.1 km, kde díky nižší výšce pořízení snímku bylo dosaženo rozlišení 52 cm. Zdroj: JAXA

K problému s odporem atmosféry se ještě přidává to, že atmosféra je v těchto výškách tvořená atomárním kyslíkem (tj. nikoliv dvouatomárními molekulami O2). Tento atomární kyslík výrazněji degraduje materiály.
Pro měření hustoty atomárního kyslíku byl na družici SLATS / Tsubame určen sensor AOFS (z angl. Atomic Oxygen Fluence Sensor), kde se měří úbytek hmoty polyimidového pláště na oscilující elektrodě, odpařování hmoty polyimidu na elektrodě způsobuje právě atomární kyslík.
Pro porovnání vlivu řídkých vstev atmosféry na různé materiály je určená souprava MDM (z angl. Material Degradation Monitor), což je na povrchu družice umístěná destička
s několika materiálovými vzorky a CCD kamerou pro zaznamenávání jejich postupné povrchové degradace.

Pro svůj rekordní výkon měla družice nadstandardní výbavu – iontový motor. Ten funguje na principu urychlování nabitých částic (tj. iontů) pomocí elektického pole. Urychlené ionty vyletují jedným směrem a stejně jako u jiných raketových motorů principem akce a reakce je těleso urychlováno opačným směrem.
Na rozdíl od raketových motoru na tuhá nebo kapalná paliva paliva u iontového motoru neprobíhá klasické spalování paliva s okysličovadlem.
Poměr tahu k množství spotřebovaného paliva je u iontových motorů mnohem lepší, má vysokou hnací účinnost (tzv. specifický impulz), ale celkový tah je poměrně nízký. Jinak řečeno, iontový motor je sice slabý, ale velmi úsporný a dokáže pracovat dlouho.
Pro úpravy drah družic a sond ve vesmírném prostoru je tedy velmi nadějný a jeho další technický vývoj ještě zdaleka není u konce.

Výdrž a úspornost iontového motoru byly pro družici Tsubame zásadní výhodou.
Při startu v prosinci 2017 byla družice raketou H-IIA (H-2A) vynesena na eliptickou oběžnou dráhu s nejvyšším bodem (tzv. apogeem) ve výšce 643 km a nejnižším bodem (tzv. perigeem) ve výšce 450 km. Pomocí motoru družice byla začátkem roku 2018 výška dráhy družice snížena na 392 km, pak bylo klesání družice ponecháno aerodynamickému odporu a družice klesla na výšku 271.5 km, kde byl zapnut iontový motor a družice si jím tuto výšku po dobu jednoho měsíce aktivně udržovala. Pak se několikrát opakoval stejný postup: družice iontový motor vypnula, odporem vnějších vrstev atmosféry klesla
na nižší oběžnou dráhu, kde iontový motor znovu zapnula a na aktivně udržované výšce oběžné dráhy probíhala měření, snímkování Země a testování stavu družice. Na výškách 250 km, 240 km a 230 km družice zůstala týden, na výšce 220 km měsíc, na 181 km týden a pak na závěr ve výšce 167 km družice setrvala opět týden a až tady už samotný iontový motor na udržení výšky nestačil a byl proto použit i klasický raketový motor. Začátkem měsíce října 2019 pak byla činnost družice ukončena a družice klesla
do hustších vrstev zemské atmosféry, kde shořela.

V popularizačních textech si jméno Tsubame získalo značnou oblibu, nejde ale o oficiální jméno družice, tím stále zůstává SLATS, protože pod jménem Tsubame byla už dříve vypuštěna jiná japonská družice.
První družici Tsubame vynesla v rámci komerční kosmonautiky ruská raketa Dněpr dne
6. listopadu 2014 současně s několika dalšími japonskými družicemi, z nichž největší byla družice dálkového průzkumu Země ASNARO 1 o hmotnosti 495 kg.
Mnohem menší experimentální družice Tsubame o hmotnosti 49 kg a o rozměrech 45 cm x 45 cm x 56 cm se třemi dalšími podobně malými družicemi byla vedlejším nákladem využitým k zaplnění zbývajícího volného prostoru v nákladovém prostoru rakety. Družice měla zkoušet různé nové technologie a přístroje, například přístroj pro sledování vesmírných záblesků gamma, optickou kameru pro pořízování snímků Země a měla si také vyzkoušet rychlé provádění různých družicových manévrů.
Let i vypuštění družic proběhlo v pořádku a družice Tsubame je stále na oběžné dráze, ale od 7. listopadu měla družice problémy s komunikací a od dubna 2015 přestala přijímat povely ze Země. Protože ale krátce po vypuštění Tsubame fungovala normálně, alespoň se ověřilo, že konstrukce této malé družice je schopná přežít otřesy při startu rakety. Zkušenosti pak byly využité pro konstukci dalších družic.

Další a ke svému účelu speciálně uzpůsobená družice SLATS / Tsubame ale nakonec svým výkonem dokázala, že pro Japonsko se jménem Tsubame není spojen neúspěch, ale rekordní zápis do historie družicových letů.

Článek zpracoval: Jiří Šustera

 

nahoru

zpět