CAD pohled na Qarman, pod červenými záslepkami jsou tepelná čidla.

Pokud přemýšlíte, jaký návrat mám na mysli, když v celém tomto občasném seriálu naopak nástup cubesatů oslavuji, tak vězte, že název článku je míněn doslova, nikoli obrazně. Pokud jste si – podobně jako já – už pomalu začínali myslet, že další obor, do kterého cubesaty promlouvají, vás již nemůže překvapit, tak na vás možná ještě jedno překvapení čeká. Nejedná se o nic menšího než o úspěšný návrat cubesatu z oběžné dráhy na zemský povrch.

Schéma průběhu mise

Opravdu, jeden by si mohl myslet, že úspěšný průchod ohnivým peklem, doprovázející návrat z oběžné dráhy, je pro tělesa o rozměrech desítek centimetrů představa z říše snů. To by chtěl změnit Qarman, projekt belgického Karman Institute for Fluid Dynamics. Kromě nejzajímavějšího cíle, kterým je zmíněný bezpečný návrat do atmosféry, si Qarman naložil ještě další dva úkoly. Jednak jde o demonstraci – dle projektové terminologie – bezpohonového (non-powered) rendez-vous (osobně by se mi ale nejvíce líbil termín „pasivní rendez-vous“). Půjde o pasivně – pomocí zbytkového odporu atmosféry – řízené přiblížení k jinému cíli. Druhým úkolem je test pasivního deorbitačního systému. A konečně třetím a nejambicióznějším cílem mise bude závěrečný průlet atmosférou a shromažďování dat během této žhavé fáze, tak, aby na nich bylo možno stavět při dalším vývoji cenově dostupné návratové platformy. 

Qarman osobně.

Pojďme se nyní podívat na misi Qarman podrobněji. Prakticky ihned po navedení na oběžnou dráhu začíná nultá fáze, během níž bude satelit uveden do provozu. Jeho baterie budou před startem plně nabity, ale všechny systémy zůstanou vypnuty až do uvolnění z vypouštěcího zařízení, to aby bylo vyloučeno případné rušení telemetrie nosiče. Po zapnutí a kontrole palubních systémů bude družice stabilizována kombinací reakčních kol a magnetotorzní tyče.

Následující prví fáze představuje demonstraci zmíněného pasivního rendez-vous. Nejedná se o nic jiného než o využití téhož jevu, který způsobuje nutnost občasných korekcí dráhy ISS. I když atmosférický tlak ve výškách několika set kilometrů odpovídá asi miliontině tlaku na povrchu Země, aerodynamický odpor – jakkoli je sotva měřitelný – zůstává v principu stále stejný. Což znamená, že jeho velikost závisí krom rychlosti a dalších faktorů také na čelní ploše. Čelní plocha je  – na rozdíl od těch ostatních faktorů – v případě podélného 3U cubesatu velmi snadno ovlivnitelná pomocí orientace satelitu. To nám dává možnost využít změny zpomalování způsobené různou orientací k částečnému ovládání oběžné dráhy. Taková kontrola oběžné dráhy může být dokonce natolik přesná, aby umožnila přiblížení na bezpečnou vzdálenost buď k virtuálnímu cíli nebo k jinému satelitu – možná jinému cubesatu v rámci projektu QB50. QB50 je další zajímavý projekt realizovaný pod hlavičkou Karman Institute for Fluid Dynamics, zaměřený na globální průzkum zemské termosféry pomocí flotily zainteresovaných cubesatů ve výškách 90-320 km po dobu přibližně tří měsíců. Ale to jen tak mimochodem, zpátky ke Qarmanu. QB50 si necháme na příště.

Tepelný štít.

Na konci předchozí fáze je předpokládaná výška oběžné dráhy 320 km. Pro následující fázi přijde ke slovu deorbitační systém AeroSDS, jehož nápadné boční díly se teprve nyní otevřou v úhlu 15 stupňů vzhledem k podélné ose satelitu. Tím je zahájen pomalý – opět pasivní – deorbitační manévr. Celá mise je naplánována bez jediné kapky paliva. Pro zajímavost – na vývxních simulací 40 individualit ve 100 generacích. Tedy celkem bylo provedeno 4000 simulací. Jakkoli to vypadá jako velké číslo, bez použití genetického programování, což – jak název napovídá – jsou postupy inspirované právě genetikou, by nalezení vhodné konfigurace bylo ještě podstatně náročnější.
Před zahájením třetí přistávací fáze budou vypnuty všechny postradatelné subsystémy, aby měl satelit před vstupem do atmosféry co nejnižší teplotu. Při tak malých rozměrech může hrát roli každý ušetřený stupeň.

Test odolnosti tepelného štítu

Během návratové a nejdůležitější fáze mise půjde především o získání unikátních dat o chování tak malého tělesa v extrémních podmínkách při žhavé fázi manévru, což je to jediné, oč v tuto chvíli běží. Jejich odeslání na místo určení zajistí satelitní síť Iridium. A tady čeká jedna z výzev celého projektu. Samozřejmě není možné cokoli odvysílat z paluby během ohnivého inferna. Qarman ale nemá padák – nejde tu o samotný hardware, padák by tak tvořil zbytečnou zátěž – takže data nasbíraná během dvacetiminutového black-outu musí být odeslána v následujících pěti minutách, než satelit bezpečně havaruje na povrchu Země (ano, to je téměř přesný překlad ze stránek projektu; dlužno uznat, že s cubesatem dosud bezpečně nehavaroval ani Rampa McKvák).

Pozemní stanice.

Samozřejmě je tím myšleno, že satelit bude směrován do zabezpečené oblasti, kde nikoho neohrozí. Aby se stihla odeslat všechna naměřená data, bylo nutno zařídit jednak dostatečnou a rychlou kompresi, jednak pro jistotu stanovit priority, které ošetří přednostní odeslání těch nejdůležitějších. Pro zajímavost: během plazmatické fáze je na tepelném štítu očekáván teplotní gradient více než 1000 stupňů na milimetr. Tepelný štít je vyroben z materiálu Cork P50. Jedná se o ablativní materiál – jak napovídá název – na bázi korku. Pro vnitřní tepelnou izolaci je pak použit fanouškům kosmického výzkumu dobře známý aerogel.

Provedení sytému AeroSDS bylo také jednou z výzev projektu: jeho konstrukce musí být co nejlehčí, nejtenčí a přitom dostatečně odolná mechanicky i tepelně, aby vydržela zatížení při začátku vstupu do atmosféry do okamžiku plánovaného odhození. Pokud by se některý z panelů ulomil dřív než ostatní, aerodynamické síly by způsobily chybné natočení satelitu méně chráněnými částmi do rozpálené plazmy – následky by byly samozřejmě fatální. Proměnná konfigurace si také vyžádala umístění solárních panelů z obou stran systému AeroSDS.Další specifický problém, s nímž se museli konstruktéři Qarmanu vypořádat, je tepelná ochrana, ovšem nejen během sestupové fáze. Vzhledem k malým rozměrům cubesatů Qarman používá tutéž elektroniku během celé mise. To znamená, že je nutno ji chránit nejen před rozpálenou plazmou při sestupu, ale i před mrazivým vesmírem, kdy během letové fáze je občas nutné zajistit naopak udržení provozní teploty. Testy a simulace při řešení tohoto problému zabraly také několik měsíců práce.

Užitečné zatížení tzv. Aerothermodynamics Experiment Payload tvoří v podstatě senzory monitorující chování systému Thermal Protection (TPS) během návratové fáze. Bude se sledovat tlak a teplota jak na tepelném štítu, tak na bocích chráněných vrstvou aerogelu v titanových pouzdrech.Přejme Qarmanu úspěšné splnění všech úkolů, zejména pak získání plánovaných dat. Své uplatnění jistě najdou, ať už vezmeme v úvahu libovolný z cílů, které si před sebe tato mise klade. Jako první se samo nabízí přistání se vzorky z různých cubesatových misí k asteroidům nebo jiným menším tělesům, ale napadá mě třeba i možnost přistávacího pouzdra velké mise – když uvážím množství vzorků potřebných v moderních laboratořích, tak takto dopravené množství může být zcela dostatečné. Pasivní orbitální manévry ušetří palivo, které má zvláště na palubě cubesatů cenu zlata, přitom takové manévrování satelitů může být důležité právě při plnění úkolů jako zmíněný QB50, ale i kdekoli jinde, kde na oběžné dráze koordinovaně operuje větší množství družic. Neměli bychom zapomínat ani na metody použité při řešení specifických problémů, které si snadno najdou své uplatnění v širší praxi.

Zdroje:
http://www.qarman.eu/
https://www.facebook.com/QARMAN.QB50
Zdroje obrázků:
http://www.qarman.eu/images/slideshow/qarman1.jpg
http://www.qarman.eu/images/slideshow/qarman_reentry.jpg
https://scontent-fra3-1.xx.fbcdn.net/hphotos-xpf1/
https://scontent-fra3-1.xx.fbcdn.net/hphotos-xpa1/v/t1.0-9
https://fbcdn-sphotos-g-a.akamaihd.net/hphotos-ak-xat1/v/t1.0-9
https://scontent-fra3-1.xx.fbcdn.net/hphotos-xpa1/v/t1.0-9

Psáno pro Kosmonautix a osel.cz