• Jste zde:
• Úvodní stránka » 
• Odborné články » 
• Laboratoře k výzkumu Sluneční soustavy - letadla a spol

3. část: Letadla, balóny a vzducholodě

Balóny a vzducholodě – historie
Venus Mobile Explorer
Letadlo pro výzkum Marsu
Švýcarský „marsolet“
Symbióza letadla a vozítka

Balóny a vzducholodě – historie

U planet s atmosférou lze k výzkumu využít přístroje umístěné na balónech či vzducholodích. K jejich pohybu postačí vztlak atmosféry a její proudění. Tato varianta výzkumu přichází v úvahu pro Mars a Venuši, a také pro obří planety Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. A samozřejmě ještě pro Saturnův měsíc Titan, který jako jediný ze 169 známých měsíců ve Sluneční soustavě je obklopen hustou atmosférou.

Zatím byly vypuštěny pouze dva „kosmické“ balóny. Do atmosféry Venuše byly dopraveny sovětskými sondami Vega 1 a 2 (start v roce 1984). Mateřské sondy Vega 1 a 2 prolétly kolem Venuše a zamířily k Halleyově kometě, která byla hlavním cílem výzkumu. Na přístrojovém vybavení sond se významnou měrou podíleli i českoslovenští odborníci.

Na povrch Venuše byly dopraveny sestupné moduly, které vysílaly po přistání zhruba 20 minut. Během sestupu k povrchu se od nich oddělily balóny, které byly po nafouknutí ve výšce 53 až 55 km unášeny prouděním atmosféry průměrnou rychlostí 250 km/h. Během 46 hodin překonaly vzdálenost 12 000 km na denní i noční straně planety. Přístroje v gondolách balónů prováděly výzkum okolního prostředí. Byly například zaregistrovány velké turbulence a značné vertikální poryvy větru.

Balóny měly průměr 3,4 m. Pod nimi byla na 13 m dlouhém lanu zavěšena gondola s přístroji. Celková hmotnost aparatury byla 21,5 kg (z toho 12,5 kg připadalo na balón a lano, 6,9 kg na gondolu a 2,1 kg na helium v balóně).

Balóny – tito pomocníci vědců – figurovaly dokonce v projektu francouzsko-ruské sondy Mars 96, která měla být navedena na oběžnou dráhu kolem rudé planety. Balón měl pod sebou nést speciální tubus se zařízením pro sběr a analýzu vzorků. Finanční a technické potíže vedly k tomu, že sonda odstartovala bez balónů. Neměla však dlouhého trvání. Pro závadu na nosné raketě nebyla ani uvedena na dráhu k Marsu a její trosky skončily v oceánu krátce po startu.

Idea využití balónů při výzkumu Marsu byla následující: ve dne by se balón vznášel v řídkém ovzduší unášen větrem, přičemž by vědecké přístroje prováděly výzkum okolního prostředí a kamery by snímkovaly povrch planety. Po západu Slunce by balóny v důsledku ochlazení zmenšily svůj objem a klesly na povrch planety. Zde by „ožily“ přístroje, určené k výzkumu povrchu. Ráno by se stoupající teplotou rozpínající se plyn v balónech zvětšil objem, balóny by se opět vznesly do vzduchu a nechaly se unášet větrem. Situace by se několikrát zopakovala až do úniku značného množství plynu z balónů, které by nakonec zůstaly nečinně ležet na povrchu Marsu.

O použití balónu k výzkumu Marsu se uvažovalo také v rámci německého projektu AMSAT P5A. Jako jakýsi přívažek měl být společně s orbitální sondou vypuštěn malý a levný balón s názvem Archimedes.

V současné době se zatím žádný projekt s využitím balónu pro výzkum těles Sluneční soustavy nepřipravuje, i když se tato myšlenka dále rozpracovává i pro výzkum obřích planet či Saturnova měsíce Titan.

Balón z projektu Vega


Návrh balónu pro výzkum Saturnova měsíce Titan


Návrh využití balónu a letadla pro výzkum Marsu

Venus Mobile Explorer

Astronomové projevili rovněž zájem o další detailní výzkum planety Venuše. Jedním z uvažovaných amerických projektů je sonda VISE (Venus In-Situ Explorer). Start byl plánován na září 2013, avšak dnes je jasné, že se tento termín nestihne. Nová kosmická sonda programu New Frontiers by měla přistát na povrchu Venuše a studovat chemické i mineralogické složení a další vlastnosti povrchu planety. Má jít o balónovou sondu, která opakovaně sestoupí na povrch Venuše, odebere zde vzorky a v přijatelnějších podmínkách větší výšky je pak analyzuje. Měla by to být jakási předehra pro získání základních informací před vysláním „vlajkové“ americké sondy Venus Mobile Explorer v mnohem vzdálenějším časovém období – někdy po roce 2025.

Vzhledem k tomu, že spodní vrstvy atmosféry Venuše jsou velmi husté, mohly by se tyto výzkumné prostředky přemísťovat pomocí kovového vlnovce (balónu), stoupajícího vzhůru a následně se vznášejícího za letu nízko nad povrchem planety ve výšce zhruba 10 km, podobně jako vzducholoď. Takto by zařízení mohlo překonat velké vzdálenosti a provádět dlouhodobý výzkum jak atmosféry, tak i povrchu planety.

Konstrukčně se bude jednat o neobvyklé zařízení, podobající se kříženci mezi balónem a výzkumnou ponorkou, jejíž gondola s přístroji bude zavěšena pod malým „balónem“, který se spíše bude podobat měchu tahací harmoniky – bude se jednat o tzv. vlnovec z velmi tenké oceli. V husté spodní vrstvě atmosféry Venuše poskytne malý ale těžký balón, natlakovaný heliem, dostatečně velký vztlak k tomu, aby se zařízení vznášelo nad povrchem planety. Při kontrolovaném letu ve výšce jen několik metrů nad povrchem bude možné občas provádět odběr vzorků povrchového materiálu k následnému rozboru. Pohyb může být realizován například pomocí poháněné vrtule či za využití slabého větru nad povrchem Venuše.

Vědecké vybavení by bylo ukryto v klimatizované schránce s aktivním chlazením. Veškeré vybavení musí odolávat vysokým teplotám kolem 470 °C, vysokému tlaku (zhruba 100násobku pozemského atmosférického tlaku), oxidu uhličitému a kapičkám kyseliny sírové v ovzduší.

Projekt sondy VISE (Venus In-Situ Explorer)


Projekt sondy Venus Mobile Explorer

Letadlo pro výzkum Marsu

Hornaté oblasti na jižní polokouli Marsu jsou nebezpečné pro přistávací moduly či marsochody. Z oběžné dráhy zase není možné provádět detailní průzkum, například pátrat po stopách dávného či současného života. Vědci našli řešení – projekt je nazván ARES (Aerial Regional-scale Environmental Survey) a rozpracovává jej NASA v rámci programu Mars Scout.

Unikátní projekt původně připravovala NASA již na rok 2003 pod názvem Kitty Hawk. Úkol projektantů byl jasný – létající robot nebude přistávat na povrchu planety. Do atmosféry Marsu vstoupí kosmickou rychlostí, kterou sníží pomocí brzdícího štítu, jenž bude posléze odhozen. V další fázi letu se bude zařízení snášet na padáku, čímž rychlost pádu ještě více poklesne. Po oddělení padáku „letadlo“ rozloží křídla, ocasní plochy a nastartuje raketový motor, který uvede letadlo do horizontálního letu. Průzkum povrchu Marsu bude probíhat z výšky 1,5 km. Vědecké informace budou průběžně předávány na Zemi. Letadlo bude schopno překonat vzdálenost 680 km. Poté „nuceně“ dopadne na povrch Marsu.

O definitivním přístrojovém vybavení zatím rozhodnuto nebylo. Je však jisté, že nebudou chybět videokamery, magnetometr, spektrometry, analyzátory plynů a detektory přítomnosti vodní páry v atmosféře Marsu. Létající robot bude mít podobu klasického letadla o rozpětí 6,25 m a hmotnosti 185 kg. Již v roce 2002 se uskutečnily v pozemských podmínkách první zkoušky modelu poloviční velikosti. Bez problémů bylo realizováno rozložení křídel, dálkově ovládaný let a přistání.

Termín startu k Marsu zatím určen nebyl, jednou z možností byl rok 2007. V tomto termínu však byla vyslána sonda PHOENIX, která přistála na povrchu Marsu v blízkosti severní polární čepičky.

Nicméně projekt ARES byl několikrát přepracován a tvůrci jej pravidelně přihlašují do různých konkurzů: vždy se přitom dostávají až mezi několik posledních finalistů. Není vyloučeno, že jim to nakonec vyjde a NASA tento „marsoplán“ schválí k realizaci...

ARES nad povrchem Marsu

Švýcarský „marsolet“

Projekt letadla rozpracovávají rovněž švýcarští vědci na zakázku pro ESA (Evropskou kosmickou agenturu) jako alternativní metodu výzkumu Marsu: rudá planeta je obklopena atmosférou, jejíž přítomnost lze využít pro létající prostředky.

Vědci ze švýcarského federálního institutu v Lausanne (Federal Institute of Technology in Lausanne), projektují v rámci programu Star Tiger mimořádně lehký letoun. Tento „vesmírný plavec“ by měl být schopen automatického letu v atmosféře Marsu nepřetržitě po dobu několika let. Zdrojem elektrické energie budou panely slunečních baterií, pokrývající horní plochu křídel, jejichž rozpětí bude 3 m. Hlavní výhodou letounu bude jeho minimální hmotnost pouhých několika kilogramů. Bude však schopen nést některé vědecké přístroje. Pro výrobu letounu s názvem Sky-Sailor budou použity superlehké a pevné materiály, umožňující let v marťanské atmosféře, která je asi 80krát řidší než pozemské ovzduší.

Malá hmotnost letounu klade mimořádné nároky na konstrukci baterií. Zřejmě budou použity v minimálním množství, jen aby byl zabezpečen autonomní let na krátkou vzdálenost v době snížené dodávky elektrické energie – například při letu pod místní oblačností. Pokud se týká vědeckého vybavení, měla by se na palubě letounu nacházet kamera, která bude pořizovat snímky povrchu z malé výšky a možná i některé další senzory. Nebude chybět ani telekomunikační zařízení pro spojení s družicí na oběžné dráze. Ještě je nutno připomenout jednu zajímavou skutečnost: vzhledem k tomu, že letoun neponese žádné zdroje energie ani paliva, bude muset létat stále za Sluncem – neustále se tedy bude nacházet nad denní polokoulí Marsu.

V roce 2004 byly zahájeny vývojové práce na projektu s názvem Mars Solar Airplane. První prototyp měl hmotnost 2,6 kg (včetně motoru, vrtule, slunečních článků, baterií a řídící aparatury) a rozpětí 3,2 m. Jeho povrch pokrývalo 216 křemíkových slunečních článků o výkonu 90 W. Elektrický motor spotřebovával 16,25 W a letoun se pohyboval rychlostí 8,2 m/s. Zkoušky měly být ukončeny v roce 2007, pokračovaly však i v roce 2008. V červnu absolvoval letoun Sky-Sailor-1 let v trvání 27 hodin, přičemž překonal vzdálenost 874,4 km. Cílem je vyvinout kosmickou variantu letounu pro výzkum planety Mars.

Švýcarský „marsolet“ Sky-Sailor-1

Symbióza letadla a vozítka

Americký vědec Geoffrey Landis navrhl originální způsob výzkumu Venuše, který by umožnil dopravit na povrch planety autonomního robota, jenž by se pohyboval ve vybraných oblastech terénu v náročných podmínkách. Landis je přesvědčen, že tajemství úspěchu výzkumu Venuše spočívá ve využití tandemu robota pracujícího na povrchu planety a letounu v její atmosféře.

Na základě výzkumů sovětskými a americkými sondami, které přistávaly na povrchu Venuše v 70. a 80. letech minulého století je zřejmé, že zopakovat na Venuši mimořádný úspěch robotů Spirit a Opportunity z povrchu Marsu je zcela nereálné. Obrovský atmosférický tlak, silný vítr, kyselé deště, povrchová teplota kolem +450 °C – takové podmínky nedávají mnoho šancí na úspěch složité automatické pojízdné laboratoři.

Landis navrhuje využít pro výzkum Venuše autonomní letoun, dopravený do atmosféry planety. Takový letoun může bez problémů křižovat atmosféru, která je 100krát hustější než pozemská, a to v jejích různých výškách. Létající zařízení má celou řadu výhod ve srovnání s umělou družicí planety. Použité vědecké zařízení umožní studium atmosféry v různých výškách, ale i detailní výzkum povrchu například pomocí radaru. Z podstatně nižší výšky, než v jaké se pohybuje orbitální sonda, může získávat mnohem detailnější informace.

Protože v důsledku pomalé rotace planety panuje na jedné polokouli Venuše den (kdy je Slunce nad obzorem) dlouhý 117 pozemských dnů, umožnilo by to letounu setrvávat nad osvětlenou částí planety prakticky jakkoliv dlouhou dobu. Potřebnou energii pro funkci přístrojů a malého motoru k pohonu by letounu dodávaly panely slunečních baterií.

Využití letounu v sestavě komplexní „expedice“ na Venuši umožní realizovat maximálně jednoduchou pojízdnou laboratoř – veškerá složitá a citlivá elektronika (mozek robota) by mohla být umístěna na palubě létajícího zařízení, které by se pohybovalo ve výšce kolem 50 km nad povrchem, kde panují mnohem příznivější podmínky. Zabezpečení robota proti vysokým tlakům a teplotám, odolávajícího kyselému prostředí, je mnohem jednodušší než patřičná ochrana palubní elektroniky v těchto doslova pekelných podmínkách. Pravda, existuje zde i druhá strana mince – problém přenosu dat z letounu na pojízdnou laboratoř a příjem vědeckých informací z povrchu planety. To však je problém, který se dá snadněji vyřešit.

Naděje, že tento ambiciózní a riskantní projekt bude zařazen do plánů NASA, je zatím vzhledem ke složitosti a finanční náročnosti jen velmi mlhavá.

Venus Surface Rover


Venus Airplane