• Jste zde:
• Úvodní stránka » 
• Odborné články » 
• Pojízdné laboratoře k výzkumu Sluneční soustavy

František Martinek

Obsah článku

1. Spirit a Opportunity
2. Neposedný Surveyor 3
3. Lunochody na startu
4. Kráčející robot pro Mars
5. Projekty Apollo a Orion
6. Hopper – skákající robot
7. Sojourner
8. Marsochod – jen pozemní zkoušky
9. Hayabusa – japonský sokol

Spirit a Opportunity

Asi nejznámějšími roboty, zkoumajícími cizí planetu, jsou Spirit a Opportunity, kteří v současné době brázdí povrch planety Mars. Jejich přistání bylo realizováno způsobem vyzkoušeným v roce 1997 u sondy Pathfinder. Vlastní vozítko o hmotnosti kolem 185 kg bylo v závěrečné fázi sestupu chráněno speciálními airbagy, které pohltily energii dopadu a po několika obrovských skocích a následném koulení (jako fotbalový míč) se sonda zastavila na místě. Po vypuštění vzduchu byl robot „vysvobozen“ a po sjezdu na povrch planety zahájil svoji objevitelskou cestu.

[01] Takto vypadají roboti Spirit a Opportunity

První robot (Spirit) odstartoval 10. 6. 2003 a na povrchu Marsu přistál 4. 1. 2004. Následoval jej robot Opportunity: start 7. 7. 2003, úspěšné přistání 25. 1. 2004. Přestože jejich životnost byla plánována na 90 dnů (s možným prodloužením činnosti se však počítalo již před startem), roboti jsou doslova nezničitelní. Ale nic netrvá věčně. Jako první se odmlčel Spirit. Naposled s ním bylo navázáno spojení 22. 3. 2010. Dne 25. 5. 2011 se řídící centrum naposled pokusilo robota „kontaktovat“, avšak neúspěšně a mise byla oficiálně ukončena. Spirit překonal dráhu po povrchu Marsu v délce 7 730,5 m. Na Zemi vyslal více než 128 000 fotografií.

Opportunity urazil ke dni 25. 5. 2011 vzdálenost již 29 908 m. Přistál na opačné polokouli Marsu než Spirit. Do konce srpna 2008 se nacházel v kráteru Victoria o průměru 800 m a prováděl výzkum tohoto zajímavého útvaru, na jehož svazích jsou odkryty jednotlivé vrstvy horniny, usazené v dávných dobách. Koncem září 2008 bylo rozhodnuto, že se vozítko vydá na asi 12 km dlouhou cestu k velkému kráteru Endeavour o průměru zhruba 22 km. Během přesunu, který bude trvat podle odhadu asi 2 roky, bude provádět výzkum okolního terénu včetně snímkování povrchu. Robot uskutečnil několik zastávek, při nichž zkoumal zajímavé kameny či menší krátery, nalezl i několik meteoritů, a zatím úspěšně pokračuje v přesunu ke svému (zdá se, že konečnému) cíli.

Během své výzkumné mise prováděly obě pojízdné laboratoře rovněž chemický a mineralogický rozbor vzorků horniny se zaměřením na hledání minerálů vzniklých za přítomnosti vody, pozorování oblačnosti na Marsu, „zatmění“ Slunce měsíci planety Mars Phobosem a Deimosem, meteorologická měření apod. Cenné informace poskytnou rovněž svým konstruktérům, kteří připravují ještě dokonalejší pojízdné laboratoře.

Neposedný Surveyor 3

Důvody pro použití pojízdných laboratoří jsou nasnadě. Proč se má sonda po přistání neustále dívat na okolní terén stále ze stejného úhlu pohledu? Pojízdná laboratoř, která má možnost byť pomalého přemísťování, může provádět detailní průzkum na různých místech povrchu tělesa, čímž může přinést podstatně více zajímavých informací. Pro pohyb po pevném povrchu těles mohou být sondy vybaveny koly – ostatně kolo je lidstvem používáno již velmi dlouho. Pohyb pomocí několika kol se plně osvědčil i při výzkumu těles Sluneční soustavy.

[02] Člen posádky Apolla 12 u sondy Surveyor 3

První přemístění – byť neplánované – uskutečnila americká sonda Surveyor 3 (start 17. 4. 1967). Sondy tohoto typu měly za úkol prověřit systém měkkého přistání na povrchu Měsíce a provádět v letech 1966 až 1968 detailní průzkum jako přípravu na přistání člověka. Během přistávacího manévru sonda uskutečnila několik poskoků. Přesvědčila se o tom posádka Apolla 12, která v roce 1969 přistála nedaleko a při jedné z vycházek sondu navštívila.

V průběhu přistávacího manévru nedošlo ve výšce 4,3 m k vypnutí stabilizačních motorků sondy, jak bylo plánováno. Ta dosedla na povrch Měsíce rychlostí 2,1 m/s. Činností raketových motorků se Surveyor 3 vznesl do výšky 10 m a znovu dosedl rychlostí asi 2 m/s ve vzdálenosti necelých 8 m od původního místa dopadu. Po druhém dosednutí se sonda znovu vznesla do výšky 3 m a dosedla poblíž předchozího místa. Před třetím dosednutím již byly stabilizační motorky vypnuty a při kontaktu s povrchem Měsíce sonda zůstala „sedět“ v místě dopadu.

Lunochody na startu

Důsledkem souboje o Měsíc mezi dvěma kosmickými velmocemi bylo mj. přistání dvou sovětských automatických pojízdných laboratoří Lunochod na povrchu Měsíce. První z nich dopravila na Měsíc sonda Luna 17 (start 10. 11. 1970), druhý byl vypuštěn na palubě sondy Luna 21 (start 8. 1. 1973).

Lunochod 1 o hmotnosti 756 kg překonal po měsíčním povrchu vzdálenost 10 540 m, předal na Zemi 20 000 snímků a vykonal 25 chemických rozborů měsíční horniny. Lunochod 2 o hmotnosti 840 kg pořídil 80 000 snímků a překonal vzdálenost 37 km. Vozítka měla osm kol o rozchodu 1,6 m, průměr kol 0,51 m a průměr hermetického přístrojového pouzdra byl 2,15 m. Dodávku elektrické energie zabezpečovaly sluneční články, umístěné na výklopném víku. Do přístrojového vybavení patřila kamera pro pořizování panoramatických snímků, pasivní laserový odražeč pro měření vzdálenosti Měsíce od Země (rozměry 450×200 mm, hmotnost 3,5 kg), zařízení pro určování mechanických vlastností povrchu, rentgenový spektroskop pro zjišťování chemického složení povrchové vrstvy a rentgenový dalekohled pro měření pozadí mimogalaktického rentgenového záření. Lunochod 1 fungoval 10,5 měsíce, Lunochod 2 celkem 4,5 měsíce. Postaven byl také Lunochod 3, avšak ten se cesty na Měsíc se nedočkal.

[03] Sovětská měsíční laboratoř Lunochod

Pohyb Lunochodů po měsíčním povrchu byl řízen takřka „v reálu“. Řidič seděl v pozemním řídícím středisku před monitorem, na který se mu promítal obraz povrchu z kamer na Lunochodu. Na danou situaci řidič reagoval povelem ke změně směru jízdy či k zastavení. Problém byl v tom, že obraz dorazil na obrazovku monitoru se zpožděním a i kdyby byl odpovídající povel vyslán okamžitě, řídící systém Lunochodu mohl zareagovat nejdříve za 2,5 sekundy (to je doba, za kterou radiový signál překoná vzdálenost z Měsíce na Zemi a zpět). O to složitější bylo jeho řízení. Po povrchu Měsíce se Lunochod mohl pohybovat rychlostí 1 nebo 2 km/h.

Kráčející robot pro Mars

Vybavit roboty na úsvitu kosmonautiky podvozkem s několika kolečky za účelem pojíždění byl jen velmi obtížně řešitelný problém. Proto první sovětský robot, určený k výzkumu planety Mars, se neměl pohybovat na kolech, ale jednalo se o „kráčejícího“ robota. Byl instalován na sovětských sondách Mars 2 a 3 (start v květnu 1971). Jeho označení bylo PROP-M. Tento minirobot o hmotnosti 4,5 kg byl spojen s přistávacím modulem pomocí kabelu o délce 15 m pro zajištění přímé komunikace. K pohybu po povrchu planety měla sloužit dvojice lyžin. Toto zařízení mělo být vysazeno na povrch planety, mělo se pohybovat v zorném poli kamer na přistávacím modulu a každých 1,5 m se měl robot zastavit a provést průzkum povrchu Marsu.

[04] PROP-M – kráčející robot pro výzkum Marsu

Kráčející roboti byli vybaveni dvěma přístroji k určování hustoty povrchového materiálu. Obě sondy však po přistání na Marsu přestaly fungovat a „pochodující krabice“ tak nemohly být prověřeny v praxi. Přistání sondy Mars 2 skončilo neúspěchem, přistávací modul sondy Mars 3 (údajně) vysílal z povrchu pouhých 20 sekund.

Projekty Apollo a Orion

V této kapitole zmíníme pojízdné zařízení pro americké astronauty, které jim usnadňovalo pohyb po povrchu Měsíce a přepravu odebraných vzorků. Byly jím vybaveny tři poslední výpravy na Měsíc v projektu Apollo (Apollo 15, 16 a 17). Ještě se sluší dodat, že posádka Apolla 14 měla k dispozici alespoň malý „dvoukolák“, který používala k přemísťování nářadí a vzorků.

[05] Lunární modul Apolla 15

Lunar Roving Vehicle (LRV), jak byl tento měsíční elektromobil nazýván, překonal největší vzdálenost při letu Apolla 17. Po povrchu Měsíce najezdil 35,89 km a od místa přistání se vzdálil 7,6 km. Při nejdelší jízdě překonal vzdálenost 20,12 km. Lunární vozítko mělo hmotnost 210 kg a bylo konstruováno na nosnost 490 kg na povrchu Měsíce.

Všechna tři vozítka zůstala na Měsíci. Jedním z jejich posledních úkolů bylo zajištění televizního přenosu ze startu návratové části lunárního modulu s posádkou z měsíčního povrchu. Na rozdíl od jiných popisovaných pojízdných prostředků se v tomto případě nejednalo o automatické zařízení – ovládat jej musel astronaut podobně jako řidič při řízení běžného automobilu.

[06] Jeden z mnoha připravovaných prototypů lunárního vozítka v projektu Orion

Obdobná zařízení měli využívat rovněž američtí astronauti při plánovaném návratu na Měsíc, který se měl uskutečnit ještě před rokem 2020. Jak takové zařízení bude vypadat, to ještě není známo – vše je zatím ve vývoji, ale již existuje několik návrhů, které se prověřují při praktických pozemních zkouškách. Jedna z variant zařízení se může pohybovat nejen dopředu či dozadu, ale vzhledem k tomu, že každá ze šesti dvojic kol má samostatný pohon a může se samostatně natáčet, vozidlo bude schopno zdolávat i členitý terén. Návrat amerických astronautů na Měsíc je však podle nejnovějších plánů zatím v nedohlednu.

Hopper – skákající robot

Koncem 80. let minulého století se připravoval pod patronací sovětských vědců mezinárodní projekt, jehož cílem byl průzkum Marsu a především jeho měsíce Phobos. Byly vypuštěny dvě kosmické sondy. S první však bylo přerušeno spojení ještě během letu k cílové planetě. Druhá sonda se odmlčela před vysazením dlouhodobé vědecké stanice a skákajícího robota PROP-F (anglicky hopper – skokan) - snímek vlevo. Ten se měl oddělit od sondy Fobos 2 (start 12. 7. 1988) a volným pádem přistát na povrchu měsíce Phobos. Po přistání měl vyslat na Zemi naměřené údaje. Pomocí pružinového mechanismu (ve spodní části robota) se měl skokem přemístit na vzdálenost 10 až 40 m, kde měl měření zopakovat. Tento cyklus se měl opakovat až desetkrát. Zdrojem elektrické energie byly chemické baterie. Na palubě modulu o hmotnosti 40 kg byly následující přístroje: gravimetr, dynamograf, rentgenový fluorescenční spektrometr, penetrometr a magnetometr. Cílem bylo získat informace o chemickém složení povrchu a o magnetickém a gravitačním poli malého měsíčku Phobos.

[08] Přiblížení sondy Fobos 2 k povrchu měsíce Phobos, laserový průzkum jeho povrchu, vysazení dlouhodobě fungující stanice a „skákajícího“ robota Hopper – představa malíře

Kontakt se sondou byl přerušen 27. 3. 1989, krátce před finální fází mise, během které se měla sonda přiblížit k povrchu měsíce na vzdálenost 50 m a na jeho povrch vysadit dva přistávací moduly. Příčinou nezdaru bylo pravděpodobně selhání palubního počítače sondy Fobos 2. Dne 15. 4. 1989 byly oficiálně přerušeny pokusy o navázání spojení se sondou.
Na projektu spolupracovalo 14 států včetně odborníků z tehdejšího Československa.

Sojourner

První americký pojízdný robot byl dopraven na povrch planety Mars na palubě sondy Pathfinder (start 4. 12. 1996) pod názvem Sojourner. Po přistání v oblasti Ares Vallis 4. 7. 1997 vozítko sjelo na povrch rudé planety a zahájilo vědecký výzkum, spočívající především v analýze hornin. Toto pojízdné vozítko se pohybovalo na 6 kolech a jeho hmotnost činila 10,6 kg při rozměrech 65 x 48 x 28 cm. Elektrickou energii mu dodávaly sluneční články, pokrývající celou horní část robota.

[09] Vozítko Sojourner na povrchu Marsu

Obě sondy – pojízdná i statická – fungovaly na povrchu Marsu asi 3 měsíce. Sojourner předal na Zemi během 83 dnů prostřednictvím modulu Pathfinder 550 snímků a provedl 16 chemických analýz vzorků. Nepohyblivá sonda Pathfinder pořídila 16 500 obrázků a realizovala 8,5 miliónu měření tlaku, teploty a rychlosti větru.

Měkké přistání sondy Mars Pathfinder bylo zabezpečeno systémem airbagů, které se nafoukly krátce před dopadem na rudou planetu. Sonda narazila do povrchu rychlostí 70 km/h. Než se zastavila na místě, překonala několika skoky a kutálením vzdálenost asi 1 km. Airbagy se vyfoukly, rozevřely se panely slunečních baterií a po východu Slunce nad Ares Vallis pořídila kamera sondy Mars Pathfinder první fotografii povrchu Marsu.

[10] Pathfinder a Sojourner na Marsu – kresba

Marsochod – jen pozemní zkoušky

Úspěchu Lunochodů na povrchu Měsíce chtěli sovětští konstruktéři využít i při výzkumu rudé planety. Několik prototypů pokročilejšího vozítka bylo testováno v pozemských podmínkách, ale tím to všechno bohužel skončilo. Zkoušky byly prováděny na poloostrově Kamčatka (1993), v americké poušti Mojave Desert (1994) či na úbočí sopky Kilaeau (Havajské ostrovy, 1995), zde za asistence vulkanologů Havajské univerzity. Testovaný pojízdný robot mohl být vyslán na Měsíc, po určitých úpravách mohl být vypuštěn k průzkumu planety Mars.

[11] Ruský Marsochod pro výzkum planety Mars

Původně se počítalo s jeho vypuštěním k Marsu již v roce 1994. Start byl několikrát odložen, celý projekt byl nakonec zrušen. Naposled se o vypuštění marsochodu hovořilo v rámci projektu Mars 98. Pojízdná laboratoř o hmotnosti 70 až 75 kg, jejíž šířka byla 0,95 m a délka 1,2 m, měla být dopravena na Mars společně s balónem, který měl být vysazen do atmosféry planety. Marsochod se měl pohybovat na šesti kolech kuželovitého tvaru. Energii měl dodávat malý RTG zdroj (radioizotopový termoelektrický generátor).

Původní návrh počítal s pojízdnou laboratoří o hmotnosti 360 až 450 kg, pohybující se na kolech o průměru 50 cm. Celková výška robota neměla přesáhnout 1 m a vozítko mělo být schopno pohybu po terénu se sklonem až 35°.

Kromě modelu s kuželovitými koly se zkoušel například pojízdný robot, vybavený čtveřicí natáčecích housenkových pásů, kráčející robot (jakýsi mechanický pavouk) a další varianty.

Hayabusa – japonský sokol

Do výzkumu těles Sluneční soustavy se zapojilo i Japonsko. Do tohoto článku patří projekt kosmické sondy s předstartovním označením MUSES-C. Po startu 9. 5. 2005 byla sonda mířící k planetce Itokawa přejmenována na Hayabusa (Sokol). Úkolem sondy byla především prověrka nových technologií pro budoucí projekty, výzkum samotné planetky a pokus o odběr malého množství horniny z jejího povrchu.

[12] Hayabusa a Minerva na povrchu planetky Itokawa

Asteroid Itokawa patří mezi planetky typu Apollo, jejichž dráha křižuje dráhu Země. Jeho rozměry jsou přibližně 550 x 180 metrů. Podle názorů astronomů i nepatrné množství materiálu z asteroidu může být klíčem k poznání dávné historie Sluneční soustavy. Pokud by vše dobře dopadlo, byla by Hayabusa první kosmickou sondou, která dopravila na Zemi vzorek materiálu z povrchu planetky.

V listopadu 2005 provedla sonda za dramatických okolností pokus o odběr materiálu z povrchu planetky – dlouho nebylo jasné, zda se pokus podařil.

Součástí vědeckého vybavení projektu měl být i miniaturní pojízdný americký robot MUSES-CN na kolečkách o průměru 60 mm, který se mněl po přistání na povrchu planetky pohybovat dvěma způsoby: jednak mohl k pohybu využívat elektricky poháněná kolečka, druhou možností bylo přemísťování pomocí „skoků“ v nízké přitažlivosti planetky.

[13] MUSES-CN

Zásobování elektřinou měly zajišťovat sluneční baterie na všech stěnách vozítka tak, aby i v případě převrácení ve slabém gravitačním poli mohlo zaujmout správnou polohu. Každé kolo mělo samostatný pohon. Získaná data měla být vysílána na mateřskou sondu a přes ni předávána na Zemi. Předpokládaná aktivní životnost na povrchu asteroidu byla jeden měsíc.
Hmotnost pojízdného zařízení měla být pouhých 1,2 kg! Hlavním úkolem minivozítka bylo pořizování detailních snímků povrchu a studium mechanických a tepelných vlastností povrchu planetky. NASA však od vývoje tohoto pojízdného „brouka“ z finančních a technických důvodů nakonec odstoupila.

Myšlenka použití „přemísťujícího se“ robota po povrchu planetky Itokawa však nebyla zavrhnuta docela. Japonská organizace JAXA připravila pro tyto účely zařízení s názvem MINERVA (Micro/Nano Experimental Robot Vehicle for Asteroid). Jednalo se o válcovité těleso o průměru 12 cm, délce 10 cm a hmotnosti 591 gramů, v jehož vybavení byly především 2 stereo kamery, které měly pořizovat barevné snímky i během přemísťování nad povrchem planetky. Doba funkce byla naplánována na 18 hodin. Nad povrchem planetky se měl robot pohybovat setrvačností, přičemž mělo občas dojít ke kontaktu s planetkou.

Ze spodního a horního dna válcovitého modulu vystupovalo šest tepelných senzorů, určených k měření povrchové teploty. Zařízení bohužel žádné informace o povrchu planetky neposkytlo. V důsledku chyby při oddělení se „skákající“ robot místo přistání na planetce od ní vzdaloval a dostal se na samostatnou oběžnou dráhu kolem Slunce.

Zapojením iontového motoru 25. 4. 2007 byl zahájen návrat sondy Hayabusa k Zemi. Návratové pouzdro se vzorkem horniny přistálo 13. června 2010 na území Austrálie. Výzkum vzorků materiálu z planetky zatím pokračuje.

Poznámky na okraj:

Kosmické sondy můžeme k planetám vysílat pouze v určitých obdobích – tzv. startovních oknech. Jedná se o období, kdy je let sondy k planetě nejvýhodnější. Opakuje se při něm stejná poloha Slunce, Země a cílové planety. Startovní okna k Marsu se opakují jednou za 26 měsíců, pro starty k Venuši vždy po 19 měsících.

Nejvzdálenějším vyslancem lidstva je kosmická sonda Voyager 1 (start 5. 9. 1977), která se 6. 6. 2011 nacházela ve vzdálenosti 117,275 astronomické jednotky AU, tj. více než 17,5 miliardy km od Slunce. Pro porovnání: Pluto je vzdáleno od Slunce zhruba 6 miliard km.

Kosmické sondy pracují na povrchu těles za různých podmínek – například za různé přitažlivosti. Gravitace na povrchu Měsíce je 1/6 zemské přitažlivosti, přitažlivost na povrchu planetky odpovídá přibližně 1/100 000 zemské přitažlivosti. Kolik byste vážili na jednotlivých planetách, to můžete zjistit například na internetové adrese http://www.planetary.org/explore/kids/activities/planetweights.html

Zdroje snímků:

[01] http://www.nasa.gov/centers/jpl/images/content/136489main_PIA04413-feature-browse.jpg
[02] http://www.jpl.nasa.gov/images/surveyor/sur3-craft-browse.jpg
[03] http://spacemodels.nuxit.net/lunokhod/reference/lunokhod1.Vue_generale2.jpg
[04] http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/image/mars_propm_rover.jpg
[05] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/archive/d/d4/20060911075741!Apollo_15_Lunar_Rover_final_resting_place.jpg
[06] http://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_1106.html
[07] http://www.friends-partners.org/partners/mwade/graphics/f/frog.jpg
[08] http://astro.zeto.czest.pl/sondy/fobos2action.jpg
[09] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3a/Sojourner_on_Mars_PIA01122.jpg
[10] http://astrobiology.nasa.gov/images/29.jpg
[11] http://www.planetary.org/image/rover-rus_mars94_roll-on-sand_810x600.jpg
[12] http://neo.jpl.nasa.gov/images/hayabusa.jpg
[13] http://www2.jpl.nasa.gov/files/images/browse/muses_5.gif