Černé skříňky pilotovaných lodí

Zvětšit obrázek

40 i-Ball

Různá záznamová zařízení na svých palubách měly už první kosmické lodě. Sloužila pro ukládání komunikace, telemetrických dat nebo údajů z biomedicínských čidel. Připomínají pověstnou černou skříňku, kterou mají na svých palubách letadla.
U lodí Apollo záznamové zařízení DSE zprostředkovávalo například informace o tom, co se dělo během letu za odvrácenou stranou, kdy byla přerušená komunikace s pozemním střediskem. Často tyto přístroje pomohly odhalit příčiny různých nehod. Na ruských Sojuzech Avtonomnyj registrátor pomohl vnést světlo do vyšetřování havárie Sojuzu 11,  kdy kosmonauty zabil podtlak způsobený předčasně otevřeným ventilem. Raketoplány zase disponovaly zařízením OEX (Orbiter Experiments – experimenty orbiteru), díky kterému víme, proč shořela při návratu do lůna Země Columbia. Všechna tato zařízení však nebyla určena k tomu, aby v případě destrukce lodi přežila samostatně průlet atmosférou při sestupu z oběžné dráhy. U zařízení OEX se jednalo spíše o náhodu než o záměr.

ReEntry Breakup Recorder (REBR)

Zvětšit obrázek

Jednotlivé části REBR (Zdroj:nasa.gov)

Nutnost realizace odolného záznamového zařízení vyvstala, když byly zjištěny rozdíly mezi počítačovými modely rozpadu navracejících se objektů z orbitu a skutečným chováním takových těles. Zjistilo se, že průlet atmosférou přežije až 40 % někdy i poměrně velkých částí. Ty sice většinou bezpečně dopadnou do oceánu, ale může se snadno stát například díky zvýšené sluneční aktivitě nebo gravitačním anomáliím, že trosky mohou zamířit k obydleným oblastem.

Evropská družice Rosat 22. října 2011 sice skončila v Bengálském zálivu, avšak stačilo jí dopadnout o pouhých 10 minut později a zasáhla by střed Pekingu. Objem trosek činil více než 60 % původní družice. To, že počítačové simulace nesedí prokázala i nešťastná Columbia, což se zjistilo při vyšetřování, kdy bylo třeba určit kolik trosek a kam přibližně dopadlo.

Skutečná černá skříňka, která by odolala teplotám přesahujícím 1000°C, přetížení a dalším silám působícím při brždění o husté vrstvy atmosféry, se začala realizovat až v roce 2006. Jmenuje se ReEntry Breakup Recorder (REBR) – záznamník rozpadu při návratu a je společným dítětem NASA Ames Research Center a firmy Aerospace Corporation (El Segundo, Kalifornie). Během sestupu zaznamenává to, co se děje v lodi při jejím rozpadu v atmosféře. V současné době se používá pro automatické zásobovací lodě ATV a HTV, které létají k ISS. Po vyložení a naplnění odpadem se odpojí od stanice a klesnou do hustých vrstev atmosféry, kde se rozpadnou a shoří.

A jak vlastně celé zařízení funguje? Při odletu od stanice kosmonauti zařízení aktivují. Do té doby pracovalo v úsporném režimu kvůli výdrži svých baterií (V tomto režimu dokáží napájet zařízení až 1 rok). Během sestupu lodi čidla REBRu zaznamenávají teplotu, zrychlení a rychlost otáčení a tlak. To vše se ukládá do paměti. Na palubě je i přijímač GPS. Ten je zaznamenává polohu z níž potřebuje REBR určit zejména nadmořskou výšku. Ve výšce 18,3 km totiž začíná posílat data naměřená během sestupu pomocí antény přes běžnou komerční síť Iridium. Tato anténa je poměrně unikátní, neboť byla navržena počítačem se speciálním softwarem, který umí sám vytvořit několik řešení, které pak testuje a upravuje. Nakonec vybere to nejlepší řešení. Výhodou antén navržených tímto programem jsou malé rozměry a vysoká účinnost (až 97 % oproti 38 %  u konvenční antény).

Zvětšit obrázek

REBR v útrobách lodi HTV 2 (Zdroj:nasa.gov)

Aktuálně používaný model nedisponuje padákem, i když v původním návrhu se s ním počítalo a může být v některém nástupním typu použit.
Svoji premiéru si zařízení REBR odbylo v roce 2010 na palubě japonské lodi HTV 2 (Kounotori 2). Mise dopadla úspěšně a pozemní středisko cenná data přes Iridium obdrželo. ATV-2 (Johannes Kepler) také neslo jeden exemplář REBR, byl však patrně umístěn příliš blízko nádrží s palivem, které ho při explozi poškodily. Na ATV-3 (Edoardo Amaldi) už všechno proběhlo zdárně. ATV-4 ho ve svém výpisu nákladu nemá, takže budeme předpokládat, že na její palubě není. Kdo ho na své palubě rozhodně měl byla HTV 3. Ta dokonce hostila nejen zařízení REBR, ale i další k podobným účelům navržené zařízení i-Ball.

Japonci vytvořili i-Ball
REBR má sice množství čidel a umí odeslat údaje jimi naměřené, ale to se Japoncům zdálo málo. Chtěli vidět, jak to na palubě vypadá, navíc odtušili, že krátka doba, po kterou zařízení vysílá, než se rozbije o vodní hladinu, zřejmě nebude stačit na odeslání velkého objemu dat.
Řešení sobě nabídla agentura JAXA ve spolupráci s IHI Aerospace Co. v podobě zařízení i-Ball. Je o něco větší než jeho kolega z NASA. Zatímco REBR je veliký přibližně 30 cm a měl hmotnost 8,6 kg, i-Ball má také tvar koule avšak o průměru přes 40 cm při 17 kg. Jeho tepelný štít odolá teplotám přes 2000 °C. I-Ball umí zaznamenávat okolní teplotu, zrychlení a úhlovou rychlost. Navíc pořizuje fotografie. Data a malé náhledy fotografií také posílá během klesání, kdyby se náhodou nepovedlo hladké přistání. K tomuto účelu využívá (podobně jako REBR) GPS a připojení na síť Iridium. V nízké výšce se zařízení rozdělí, tepelný štít odpadne, rozvine se padák. Po přistání na hladinu je aktivován vzduchový vak a vysílá se údaj o poloze. Vše si můžete prohlédnout v následující animaci:

Na HTV 3 dopadlo vše dobře, obě zařízení šlapala jako hodinky. Během volného pádu odesílala data a i-Ball navíc dva malé černobílé náhledy fotografií, které na rozpadající se palubě pořídil. Po vylovení zkopírovali japonští inženýři z paměti i-Ballu všechny fotografie, které dokumentují rozpad lodi přibližně 80-70 km nad Zemí. Radost v řídícím středisku a první odeslané záběry si můžete prohlédnout na následující videosekvenci.

Další obrázky si můžete prohlédnout zde.

Jak jsme načali v úvodu, všechny údaje budou sloužit ke zpřesnění počítačových modelů rozpadu těles při brždění v atmosféře. Můžeme se tak dočkat přesnějšího navádění trosek do cílové oblasti, jejich minimalizace a konec konců data se dají využít i pro zlepšení konstrukce lodí, jež se mají z oběžné dráhy v pořádku vrátit na Zemi.

A co dál?

Zvětšit obrázek

Původní komplexnější návrh REBR (Zdroj:nasa.gov)

Již tuto sobotu 4.srpna zamíří k ISS další loď HTV 4 nebo chcete -li Kounotori 4 (Bílý Čáp), tak si Japonci své lodě poeticky překřtili. Na palubě bude tentokrát jen i-Ball. Těžko říci, jaké má JAXA s i-Ballem plány do budoucna.
REBR se zřejmě již ve stávající podobě také do kosmu nepodívá. Otázkou je, jakým způsobem bude ESA snímat zajímavý experiment, který se má odehrát na poslední lodi typu ATV a sice ATV-5 (George Lemaître). Na její palubě má při návratu vzniknout cvičný požár, kterýžto experiment by se těžko na lodi s lidskou posádkou realizoval. Bohatě stačí, že si jej neplánovaně vyzkoušeli kosmonauti na stanici Mir.

To ovšem neznamená, že potenciál těchto přístrojů zůstane nevyužit. Do budoucna se s jejich nástupci počítá jako s černými skříňkami komerčních lodí. Mohou se stát malými levnými přistávacími moduly při výpravách k tělesům naší Sluneční soustavy, Měsícem počínaje a nejvzdálenějšími objekty konče. Nemusí ani přistávat samostatně. Jako připevněný maják budou sloužit k nalezení většího stroje, například modulu lunární základny. Těch aplikací je velmi mnoho, vše je závisí na potřebách budoucího výzkumu kosmu.

Jako bonus nabízíme video, na kterém Akihiko Hošide aktivuje REBR a i-Ball:

Zdroje informací:
http://www.houseofjapan.com/aeronautics/jaxa-unveils-i-ball-atmospheric-re-entry-monitoring-system
http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/812.html
http://iss.jaxa.jp/en/htv/mission/htv-3/feature/
http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/768.html (REBR)
http://www.nasa.gov/centers/ames/research/exploringtheuniverse/blackbox.html
http://www.nasa.gov/pdf/737534main_exp35-36_press_kit.pdf
http://www.spacesafetymagazine.com/2012/04/17/rosat-crashed-beijing/
http://www.kosmonautix.cz/viewtopic.php?f=21&t=440&p=6692#p6692
http://www.russianspaceweb.com/iss_soyuztma10.html
http://www.youtube.com
Zdroje obrázků:
http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/REBR5.jpg
http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/REBR4.jpg
http://www.nasa.gov/pdf/737534main_exp35-36_press_kit.pdf
http://www.nasa.gov/centers/ames/ppt/111232main_blackbox2.ppt
Psáno pro Kosmonautix a Osel.cz