Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 32 – vyšlo 15. září, ročník 15 (2017) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

32/2017

Jak se dělá družice?

Veronika Stehlíková, Ladislav Sieger, Tomáš Báča

Po mnoha letech má Česká republika opět svou vlastní družici. Podle hlavního řešitele projektu, Výzkumného a zkušebního leteckého ústavu v Letňanech, nese název VZLUSAT-1. Patří do rodiny družic CubeSat a na oběžnou dráhu ji dopravila indická kosmická agentura ISROISRO – Indian Space Research Organisation, Indická kosmická agentura, která byla založena v roce 1969 a má na starosti indický vesmírný program. Rozpočet této státem řízené organizace je přibližně 2 miliardy USD ročně (2014). Organizace má přes 20 000 zaměstnanců. První úspěšná družice Aryabhata byla vypuštěna Sovětským svazem v roce 1975. V roce 1980 umístili Indové zcela samostatně na oběžnou dráhu Země družici Rohini. ISRO provozuje telekomunikační satelity INSAT a satelity IRS pro dálkový průzkum Země. V roce 2014 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Marsu indická sonda Mangalyaan. dne 23. června 2017. Minulé díly buletinu přinesly informace o tom, na jaké platformě je sonda postavena, k čemu je určena a co všechno umí. Dnešní díl je věnován lidem, kteří se na jejím vývoji podíleli a problémům, se kterými se potýkali.

Videosekvence z montáže první české technologické nanodružice VZLUSAT-1.

ISRO – Indian Space Research Organisation, Indická kosmická agentura, která byla založena v roce 1969 a má na starosti indický vesmírný program. Rozpočet této státem řízené organizace je přibližně 2 miliardy USD ročně (2014). Organizace má přes 20 000 zaměstnanců. První úspěšná družice Aryabhata byla vypuštěna Sovětským svazem v roce 1975. V roce 1980 umístili Indové zcela samostatně na oběžnou dráhu Země družici Rohini. ISRO provozuje telekomunikační satelity INSAT a satelity IRS pro dálkový průzkum Země. V roce 2014 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Marsu indická sonda Mangalyaan. Nanosatelity – satelity s hmotností kolem 1 kg a rozměry přibližně 10 cm. Jsou často vynášeny do vesmíru ve větším množství, jako tomu je například při některých startech nosných raket Vega, Atlas V nebo Falcon 9. Do jejich vyřazení roku 2018 byly k těmto misím využívány i rakety Delta II. Nejznámější projekt týkající se nanosatelitů je CubeSat, kde mají nanosatelity tvar krychliček o hraně 10 cm. FEL ČVUT – Fakulta elektrotechnická Českého vysokého učení technického v Praze, jedna z osmi fakult univerzity, jejíž kořeny sahají do roku 1717. Pod současným názvem funguje univerzita od roku 1920. Fakulta elektrotechnická byla založena v roce 1950, je druhou největší fakultou ČVUT, má 2 100 studentů a 750 zaměstnanců. Jihoatlantická anomálie – oblast nacházející se nad Jižní Amerikou a Atlantickým oceánem mezi pobřežími Jižní Ameriky a Afriky. Jde o místo, kde se vnitřní radiační pás nejvíce přibližuje k Zemi, jde proto o oblast zvýšené radiace. V jihoatlantické anomálii je nejslabší magnetické pole Země, což je příčinou přiblížení radiačního pásu k Zemi.

Specifika návrhu družice

Při návrhu družice je zapotřebí počítat s extrémními provozními podmínkami. Ty podmiňují výběr materiálů a součástek, výrobní možnosti nebo složitost ovládacího software. Důležitým parametrem je například úroveň radiace na orbitě. Ve výšce 510 km chrání magnetické pole ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. družici už jen částečně. Díky své polární orbitě prolétá oblastmi, ve kterých jsou nabité částice urychlovány polárními kaspyPolární kasp – trychtýřovitá oblast v blízkosti magnetických pólů planety, kterou pronikají jako obrovským vírem nabité částice do atmosféry. Název pochází z anglického „cusp“ (roh, cíp). směrem k Zemi. V těchto místech absorbuje družice vysoké dávky záření. S ohledem na to bylo zapotřebí vhodně zvolit a ochránit elektroniku družice. Obecně lze říci, že méně choulostivé budou součástky s robustnější strukturou. Nejcitlivější části, procesory a paměti, u kterých by částice kosmického zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. mohly například pozměnit a tak znehodnotit uloženou binární informaci, byly navíc vybaveny stínicím wolframovýmWolfram – Wolframium, šedý až stříbřitě bílý, velmi těžký a mimořádně obtížně tavitelný kov. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin, v čisté formě se s ním běžně setkáváme jako s materiálem pro výrobu žárovkových vláken. Wolfram byl objeven roku 1781 švédským chemikem Wilhelmem Scheelem. plechem o tloušťce 0,5 mm.

Další kontrolovanou hodnotou je úroveň odpařování zbytkových těkavých látek, především vody. Mnohé materiály jsou obráběny vodním paprskem a před sestavením musí být vysoušeny v termovakuové komoře. Po vyjmutí z komory a další manipulaci však materiály mohou opět absorbovat vzdušnou vlhkost a další plyny, proto je nutné používat málo absorbující materiály. Spouštění experimentů po startu je přizpůsobeno aktuální zbytkové vlhkosti, která je měřena speciálními senzory. Například chlazené systémy, na kterých voda ochotně kondenzuje, jsou aktivovány až po delší době od startu. Opracování materiálu vodním paprskem není jediným zdrojem vlhkosti. Technologické kroky při výrobě desek plošných spojů mohou vést k uchování zbytkové vlhkosti mezi vrstvami u vícevrstvých variant výroby, proto byly navrhovány maximálně oboustranné desky.

Spodní část ještě ne zcela osazeného plošného spoje, na který Ing. Tomáš Báča propašoval jednu slavnou soustavu rovnic ve tvaru, který se používá v teoretické fyzice. Poznají čtenáři, o jakou soustavu rovnic jde?.

Důležité je také brát v úvahu vibrace a přetížení při startu. Konektory a volné části, například vodiče senzorů, jsou proto lepeny k sobě nebo ke kostře družice dvousložkovým epoxidovým lepidlem určeným pro kosmický prostor – neuvolňujícím těkavé látky – nebo kaptonovou páskou. Během předletových testů byla družice vystavena sériím vibračních a rázových testů, během kterých a po kterých následovaly funkční testy prokazující, že nebyla narušena funkčnost žádné části zařízení.

Posledním problémem, který zde zmíníme, je rušení. Především digitální komunikace je zdrojem silného elektromagnetického rušení, které může ovlivnit citlivé výstupy senzorů nebo komunikaci mezi jednotlivými částmi družice. Vše je třeba důsledně stínit a správně zemnit. Situace je dále komplikována tím, že většina družic vypuštěných ve stejný okamžik také ve stejný okamžik vysílá, navíc na navzájem blízkých frekvencích. Komunikaci s družicí VZLUSAT-1 zajišťuje tým ze Západočeské univerzity v Plzni. Zde na univerzitě vzniklo malé komunikační středisko, které jako jediné je schopno družici ovládat a stahovat z ní data. Družice létá na polární dráze a díky rotaci Země se proto uskuteční každý oblet nad jiným místem. Z tohoto důvodu lze s družicí navázat spojení pouze třikrát až čtyřikrát denně, ačkoli doba oběhu je pouhých 97 minut.

Vývojový tým

Za vývojem družice stojí více než 30 lidí, kteří se setkali jen výjimečně, protože jsou z různých podniků, vysokých škol a výzkumných ústavů. Za ČVUT FEL v Praze se na návrhu, konstrukci a testování družice podíleli čtyři studenti – z katedry mikroelektroniky Veronika Stehlíková, Ondřej Nentvich a Martin Urban, z katedry kybernetiky Tomáš Báča. První tři se projektu účastnili v rámci svých diplomových prací pod odborným vedením Ladislava Siegera z katedry fyziky. Práce byly úspěšně obhájeny na podzim 2015 a oceněny cenou Siemens, cenou ABB University Award a cenou děkana. V současnosti pokračují ve studiu na FEL jako doktorandi na katedře radioelektroniky, kde se nadále zabývají návrhem systémů pro vesmírné aplikace; Tomáš Báča zůstal na katedře kybernetiky.

Veronika Stehlíková se zabývala systémem pro měření radiačních vlastností nového uhlíkového kompozitu, Ondřej Nentvich systémem pro nedestruktivní měření mechanických vlastností a Martin Urban detekcí zbytkové vlhkosti v satelitu, zejména ve zmíněném uhlíkovém kompozitu. Tomáš Báča se podílel na konstrukci užitečného zatížení a též se zabýval metodami vyhodnocení dat z rentgenového dalekohledu s optikou typu račí oko a detektorem Timepix. Uvedení studenti se podíleli na sestavovaní družice a testování v čistých prostorách VZLÚ a. s. Předletová verze družice byla představena jako jeden z exponátů mezinárodní výstavy kosmonautiky Gateway to Space konané na pražském Výstavišti v Holešovicích od března do června 2015. Skupina se rovněž účastnila Veletrhu vědy na výstavišti v Praze Letňanech v letech 2016 i 2017.

Tým z FEL ČVUT v Praze připravující družici

Současný stav VZLUSAT-1

Start družice proběhl bez problémů dne 23. června 2017. Na polární oběžnou dráhu ve výšce 510 km  ji dopravila indická kosmická agentura ISROISRO – Indian Space Research Organisation, Indická kosmická agentura, která byla založena v roce 1969 a má na starosti indický vesmírný program. Rozpočet této státem řízené organizace je přibližně 2 miliardy USD ročně (2014). Organizace má přes 20 000 zaměstnanců. První úspěšná družice Aryabhata byla vypuštěna Sovětským svazem v roce 1975. V roce 1980 umístili Indové zcela samostatně na oběžnou dráhu Země družici Rohini. ISRO provozuje telekomunikační satelity INSAT a satelity IRS pro dálkový průzkum Země. V roce 2014 byla navedena na oběžnou dráhu kolem Marsu indická sonda Mangalyaan.. Družice rozvinula antény stočené uvnitř satelitu a zajištěné lankem, které bylo po dosažení oběžné dráhy přepáleno. Stejně je zajištěna i výklopná optika, která bude vysunuta později. V současnosti družice pravidelně komunikuje s pozemní stanicí, přijímá příkazy, odesílá data a v nejbližší době ji čeká ukončení fáze, ve které se testovala funkčnost a ladily drobné problémy. Poté bude následovat běžný provoz, ve kterém řešitelé mohou žádat o konkrétní časy měření podle svých požadavků na data. V současnosti se již zpracovávají první data, která přišla z oběžné dráhy, a plánuje se pořadí jednotlivých experimentů.

Sekvence znázorňuje stav intenzity radičního pozadí na orbitě mezi dny 30–31. srpna, 8–9. září a 9–10 září. Na snímích je patrná jihoatlantická anomálieJihoatlantická anomálie – oblast nacházející se nad Jižní Amerikou a Atlantickým oceánem mezi pobřežími Jižní Ameriky a Afriky. Jde o místo, kde se vnitřní radiační pás nejvíce přibližuje k Zemi, jde proto o oblast zvýšené radiace. V jihoatlantické anomálii je nejslabší magnetické pole Země, což je příčinou přiblížení radiačního pásu k Zemi.  i radiační pásy kolem jižního a severního pólu včetně změn, které prodělaly po mimořádně velké sluneční erupci ze dne 6. září 2017.

Závěr

Projekt družice VZLUSAT-1 předpokládá několik let existence družice na oběžné dráze, kdy bude možno získávat vědecká a technologická data. Projekt znamenal roky práce a příprav. Nyní bude následovat neméně hektické období zpracování a interpretace dat, která družice vyšle na Zem, a příprava experimentů pro další kosmické aktivity. Jestliže má někdo z řad studentů zájem se podílet na této práci, buď v rámci semestrálních projektů, nebo diplomových prací, může kontaktovat na katedře fyziky FEL ČVUT v PrazeFEL ČVUT – Fakulta elektrotechnická Českého vysokého učení technického v Praze, jedna z osmi fakult univerzity, jejíž kořeny sahají do roku 1717. Pod současným názvem funguje univerzita od roku 1920. Fakulta elektrotechnická byla založena v roce 1950, je druhou největší fakultou ČVUT, má 2 100 studentů a 750 zaměstnanců. Ing. Ladislava Siegera, CSc. a zapojit se do práce již existujícího týmu.

Jeden z mnoha snímků z detektoru Timepix znázorňuje podobu ionizující radiace v radiačnám pásu kolem jižního pólu. Ionizující částice kreslí v sensoru stopy podobné těm, které se dají vidět v mlžné komoře. Dlouhé zakroucené linie jsou způsobené elektrony, malé tečky zase fotony v rentgenovém spektru. Napravo vidíme energetické spektrum takového snímku, které je zpracované na palubě satelitu, pro zmenšení objemu dat přenášených na Zemi. Snímky v plném rozlišení jsou přenášeny pouze v případě, kdy takové histogramy a zmenšené náhledy slibují zajímavé informace.

Odkazy