Jak probíhalo řešení problému antény radaru RIME

Když se krátce po startu evropské sondy JUICE objevily informace, že se nedaří vyklopit anténu jejího palubního radaru RIME, mnoha lidem zatrnulo. Tým inženýrů čelil velké výzvě – porozumět závadě a pokusit se ji vyřešit. V sázce bylo hodně – budeme mít možnost nahlédnout do nitra jupiterových měsíců nebo ne. Evropská kosmická agentura nyní na svém webu vydala podrobný článek, který se tématu věnuje a nabízí pohled na řešení celé situace z pohledu konkrétních lidí, kteří na nelehkém řešení pracovali. Nabízí tedy jedinečný pohled za oponu. Všichni už sice víme, jak to dopadlo, ale jistě nezaškodí si celý případ zopakovat i s osobními zážitky přímých účastníků.

O tom, že v misi JUICE půjde o hodně, se vědělo už dlouho před jejím startem. Evropská sonda s kompletním názvem Jupiter Icy Moons Explorer byla navržena firmou Airbus tak, aby dokázala provádět průzkum Jupiterova systému tak, jako zatím žádná jiná sonda. Sonda nese deset vědeckých přístrojů, ale bez přehánění klíčovou součástí pro výzkum planety i její bohaté rodiny měsíců je anténa přístroje RIME (Radar for Icy Moon Exploration). Až sonda dorazí k Jupiteru, bude RIME sloužit k dálkovému průzkumu podpovrchových struktur jupiterových měsíců. Jeho radarové signály proniknou skrz povrch měsíců až do hloubky 9 kilometrů a odhalí detaily o velikosti 50 – 140 metrů. To vědcům umožní lépe porozumět geologii těchto měsíců a poskytne jedinečná data pro pochopení obyvatelnosti těchto ledových světů.

Jenže k úspěšnému sběru dat bylo nutné nejprve dostat sondu i s jejími přístroji do vesmíru, což znamenalo složit některé části jejího hardwaru. S délkou 16 metrů je anténa radaru RIME příliš dlouhá na to, aby se vešla do aerodynamického krytu rakety Ariane 5, která sondu JUICE vynesla. Anténa proto byla navržena a postavena tak, že ji tvoří dvě ramena, každé tvořená čtyřmi segmenty. Z celkového počtu osmi segmentů se mají tři vyklopit na jednu stranu sondy, tři na druhou část sondy a dva zůstanou připojeny k sondě. Při startu byly trojice výklopných segmentů složeny směrem k pevným segmentům a na místě je držely dvě svorky.

Poté, co se sonda dostala do kosmického prostoru, začalo pozemní středisko ESOC v německém Darmstadtu vydávat dálkové pokyny k postupné aktivaci zařízení označovaných jako NEA (non-explosive actuators, tedy neexplozivní aktuátory). Každé zařízení NEA mělo uvolnit zádržný kolík ze zmíněné svorky, aby se ukotvený segment vypružil ze složené do vyklopené pozice. A právě tady začaly problémy.

Ronan Le Letty, strojní inženýr ve službách ESA, který je členem týmu JUICE, se v době vyklápění antény RIME nacházel ve středisku ESOC a radil řídicímu týmu, který přijímal telemetrii z různých palubních senzorů sondy a opačným směrem vysílal příkazy. Celý proces začal 17. dubna 2023, tedy tři dny po startu, přičemž do této fáze probíhaly všechny kroky hladce. V tomto duchu započalo i vyklápění antény RIME, protože první kroky proběhly bez zaváhání. Dvě inženýrské kamery připojené na sondě pomáhaly inženýrům sledovat proces rozkládání celé antény. Mezi pořízením dvou snímků bylo aktivováno zařízení NEA, které skutečně uvolnilo kolík a složený segment se vypružil do vyklopené pozice. Kontrola snímků z kamer ukázala, že segment je na správném místě, což potvrdily i další telemetrické údaje. Pozemní středisko třeba zjistilo, že se sonda po vyklopení segmentu trochu rozechvěla – přesně podle očekávání. A správně zafungoval i systém AOCS (Attitude and Orbit Control System), který tyto pohyby začal korigovat.

Tým byl spokojen a začal pracovat na vyklopení druhého segmentu. Pozemní středisko tedy vyslalo pokyn k aktivaci druhého NEA. Na snímek si muselo pozemní středisko chvíli počkat, ale už předběžná analýza telemetrických dat ukazovala, že je něco špatně. Chyběly očekávané (a u vyklopení prvního segmentu zmíněné) vibrace. Jen za několik sekund dorazil i snímek z kamery, na kterém byl vyklápěný segment jasně vidět – bohužel se však nacházel stále ve složené pozici. To znamenalo, že jeho vyklopení selhalo.

„Prožíváte stav, ve kterém tomu odmítáte uvěřit,“ popisuje Ronan Le Letty a dodává: „Došlo k události, které se ze všech možností chcete nejvíce vyhnout. Ten snímek jsme kontrolovali dvakrát, třikrát, čtyřikrát. Zkusili jsme znovu vyslat signál k aktivaci aktuátoru, ale nic se nestalo.“ Profesionálně, ale nevěřícně přihlíželi celé situaci také tým společnosti Airbus Defence and Space ve francouzském Toulouse. Právě oni byli v roce 2015 vybráni jakožto hlavní řešitelé mise, takže byli zodpovědní za vedení designu, stavby i testů družice. Právě oni stáli nad ostatními firmami, které zajišťovaly dodávky potřebného materiálu, dílů, systémů a přístrojů.

„Věděli jsme, že musíme zkusit co nejrychleji pochopit, co se stalo a zkusit najít řešení,“ vzpomíná Frédéric Faye, hlavní inženýr mise JUICE za firmu Airbus. Hned další ráno už inženýři vyhnali nevěřícné pocity ze svých hlav a sešli se na online konferenci, aby spolu sdíleli své názory a mohli probrat celou anomálii. Na jedné straně věděli, že musí najít nějaký způsob, jak uvolnit zaseklý segment, ale na druhou stranu si dobře uvědomovali, že nemohou udělat nic, co by ohrozilo vyklápění dalších segmentů či dokonce celou sondu. První nápad, ke kterému týmy dospěly, se týkal ledu, který se teoreticky mohl zformovat na kolíku, který drží segment na místě. Když je sonda dopravena do kosmického prostoru, ocitne se v chladném prostředí bez vzduchu. Tato náhlá ztráta tlaku vzduchu znamená, že malé množství vodní páry náhle unikne z materiálu, který sondu tvoří. Pára pak může při kontaktu s mimořádně chladnými částmi sondy zmrznout.

Jelikož se poblíž antény RIME nenachází žádné ohřívače, vyžádalo by si odstranění případného ledu otočení sondy v prostoru tak, aby anténa mířila ke Slunci. Jenže v tom byl problém – strana sondy, na které je připojena anténa RIME, byla navržena jako chladná strana. To znamená, že se nikdy nezamýšlelo její vystavení přímému slunečnému svitu krátce po startu. To samé platí i pro všechny součástky, přístroje a systémy, které jsou k této straně připojeny. Po několika dnech analýz začal tým pomalu otáčet sondou tak, aby se dané místo dočkalo slunečních paprsků. „Během dvou týdnů jsme provedli osm otočení k osvětlení svorky antény RIME,“ popisuje Angela Dietz manažerka provozu sond ve středisku ESOC. Pokaždé bylo dané místo vystaveno slunečním paprskům o něco déle a pozemní týmy bedlivě sledovaly telemetrická data z palubních senzorů, aby bylo možné porozumět limitům těchto činností. První manévr trval sotva 25 minut, ale na konci už si byli experti dost jistí na to, aby dané místo vystavili slunečním paprskům na dobu 73 minut.

Souběžně s ohříváním se rozvíjely také další možné scénáře pro řešení. Pokud by vyklopení segmentu nebránil led a kolík by byl prostě jen zaseklý, možná by pomohlo se sondou trochu zatřást a kolík by se mohl uvolnit. I když slovo „zatřást“ je až moc drsné k popsání skutečného pohybu. Sonda JUICE váží šest tun a palubní trysky s ní mohou kývat jen velmi jemně. I přesto si tým řekl, že to stojí za zkoušku. Zaseklý kolík by totiž stačilo posunout třeba jen o milimetr nebo dva, i tak však musely být týmy opatrné. Nemohli si dovolit riskovat poškození dalších systémů tím, že sondě nečekaně udělí silový impuls. S tím, jak tým dokončoval proces ohřívání, začaly se opatrně testovat tyto nové manévry.

„Provedli jsme několik zážehů trysek a použili jsme hlavní motor, často v součinnosti s ohřívacími náklony. Trysky byly dokonce aktivovány v určité sekvenci, aby se pokusily „vyklepat“ zaseklý segment, ale jediné, co jsme viděli, byly drobné pohyby v útrobách svorky,“ popisuje Angela Dietz. Tým se proto přesunul k dalším možnostem. Výrobce antény, německá firma SpaceTech, také předložila svůj návrh řešení. V zásadě šlo o to, že by se pokračovalo ve vyklápění dalších čtyř sekcí jako kdyby se nic nestalo. Věděli, že s aktivací každého NEA je spojen drobný mechanický ráz, který prochází celou anténou. Ten by mohl posunout zaseknutý kolík.

Zásadní zlom v celém případu nakonec přišel právě od výrobce. Inženýrům firmy SpaceTech se podařilo napodobit anomálii na modelu antény, který se používal k testování. Potvrdilo se, že aktivace nejbližšího NEA většinou dokáže uvolnit zaseklý kolík. Bylo také zjištěno, že pro zvýšení šance na úspěch by anténa měla být ohřátá slunečními paprsky. Důvodem bylo to, že ačkoli technický model byl plně testován při nízkých teplotách panujících ve vesmíru, skutečný letový model nikoli. Tým dospěl k závěru, že k tomu mohly přispět extrémně nízké teploty, které se vyskytly během neúspěšné aktivace NEA, a proto by se anténa měla před všemi budoucími aktivacemi NEA zahřát na Slunci, aby se co nejvíce přiblížila „pokojové teplotě“, při které inženýři věděli, že to funguje.

Vyzbrojeni několika novými poznatky, jak zachránit celou situaci, se týmy rozhodly provést osobní setkání, na kterém rozhodnou o dalším postupu. Technický workshop se konal v sídle firmy SpaceTech a týmy se rozhodly, že nejprve zkusí ohřívání. Pokud by to nestačilo, sáhnou k aktivaci dalších NEA, které by se předtím ohřály. „Toto cvičení, při kterém jsme si stanovili plán a přiměli všechny týmy, aby na něm pracovaly, bylo opravdu přínosné,“ vzpomíná Ronan Le Letty. Od objevení anomálie už uplynulo několik týdnů a tlak na tým stále rostl. Celá mise měla svůj časový harmonogram, který musela dodržovat a i když je RIME tak důležitý, stále je to jen jeden z přístrojů na sondě.

„Pro mne bylo právě tohle to vůbec nejsložitější na celém řešení,“ vzpomíná Guillaume Chambon z týmu technického dohledu společnosti Airbus. Právě on byl zodpovědný za správu činností firmy Airbus pro řešení situace. „Musíte jednat rychle, protože všichni od vás čekají nějaké pokroky, ale vy potřebujete nějaký čas na zvážení všech vedlejších účinků toho, co navrhujete,“ doplňuje Guillaume Chambon. Během jednoho odpoledne během úvah o řešení situace si právě on uvědomil jeden potenciální problém. Pokud by se pokračovalo v nominální vyklápěcí sekvenci (jako kdyby se nic nestalo), bylo zde riziko, že se dva segmenty antény mohou při vyklápění srazit. Stačí si uvědomit, že anténa přístroje RIME je tvořena šesti výklopnými segmenty – na každé straně sondy mají být tři. Při normálním postupu se měl aktivovat NEA na jedné straně a poté na druhé. Kdyby to však takto udělali nyní a došlo by k uvolnění zaseklého segmentu, pak by se dva segmenty (každý z jedné poloviny) uvolňovaly najednou opačnými směry a mohly by se srazit.

Týmy se proto shodly na tom, že se sekvence vyklápění segmentů přeorganizuje a pokus o řešení mohl začít. Nejprve byla sonda otočena anténou RIME ke Slunci, aby zmizely všechny stopy ledu. Anténa však stále zůstávala na jednom místě. Bylo tedy jasné, že jedinou možností pro řešení bylo ohřát anténu znovu a poté pokračovat ve vyklápění s důvěrou, že vibrace z aktivace dalších zařízení NEA uvolní zaseklý kolík. Experti měli v rukou analýzu, která jim říkala, že toto řešení dává největší naději na úspěch. Na druhou stranu však může být každé zařízení NEA aktivováno pouze jednou. Jinými slovy to bylo stylem „všechno nebo nic“.

Bylo 12. května a hodiny v řídícím středisku ukazovaly 2 hodiny po poledni, když se na svých pracovištích sešli jednotliví pracovníci a zahájili závěrečný pokus. Pokyn byl vyslán a týmy pak jen napjatě sledovaly telemetrii, ve které hledaly náznak oscilací, což by naznačilo úspěšné vyklopení. A najednou to přišlo – sonda se pohnula. Ale byl to ten správný pohyb? Podařilo se pohnout se zaseknutým segmentem? Když se podařilo stáhnout snímek z kamery, bylo na něm vidět vše, co členové týmu potřebovali. Totální úspěch! Tři segmenty antény, které měly být vyklopeny, se vyklopily. „V provozním týmu jsme si začali být dost jistí,“ přiznává Angela Dietz.

Jenže práce ještě nekončila. Experti byli stále v polovině procesu vyklápění. Bylo potřeba aktivovat ještě jedno zařízení NEA, aby se vyklopilo i druhé rameno a anténa RIME získala svou provozní konfiguraci. A je potřeba říct, že tlak, který pociťovali někteří členové týmu, byl ještě větší než v předešlém případě, protože nyní tým věděl, že se kolík může zaseknout. Nyní, když zbýval jen poslední kolík, byla situace nejkritičtější. Pokud by se zasekl kterýkoliv předešlý kolík, mohl tým aktivovat další NEA v pořadí a věřit, že se tím problém vyřeší stejně jako u původního zaseklého segmentu. Ale teď už zbývalo jen jedno zařízení NEA, po kterém nešlo použít žádné další. Doslova na dosah cíle se mohlo stát, že veškeré snažení bude k ničemu, pokud se poslední kolík zasekne.

V tuto chvíli začal Cyril Cavel, projektový manažer mise JUICE z firmy Airbus, myslet na vědce, kteří na výsledky snažení těchto týmů čekaly. Někteří z nich zasvětili vývoji antény i desítky let života. „RIME měl pro tyto lidi velký odborný význam. Bez této antény by byl radarový experiment buď velmi omezený, nebo dokonce úplně mrtvý. Byla by to mnohem víc než jen škoda,“ říká Cyril Cavel. Je zřejmé, že šance na poznání, co se nachází pod ledovými krunýři těchto velmi zajímavých měsíců by se při zaseklé anténě výrazně zmenšila, případně úplně ztratila pro celou současnou generaci planetologů. „Věděli jsme, že i když je RIME jen jedním přístrojů z deseti, selhání v podobě nekompletně vyklopené antény by degradovalo vědecký přínos mise a poškodilo (do té doby bezchybný) obraz mise JUICE v očích vnějšího světa,“ říká Giuseppe Sarri, projektový manažer mise JUICE z ESA.

Vzhledem k důležitosti celé situace se tým rozhodl udělat ještě jedno závěrečné opatření. Nyní byla spojka vystavena slunečnímu záření po maximální povolenou dobu 73 minut. V důsledku toho byla její teplota vyšší než pokojová teplota, při které byla testována v laboratořích v Německu. Aby tým co nejvěrněji napodobil podmínky v této laboratoři, rozhodl se sondu otočit, aby na anténu nesvítilo Slunce. Poté počkali tři až čtyři hodiny, než její teplota klesne. „Ty tři hodiny až čtyři hodiny byly neskutečně dlouhé,“ vzpomíná Frédéric Faye. Na konci čekání, když byly podmínky optimální, byl signál vyslán vstříc sondě.

Zařízení NEA se aktivovalo a telemetrie ukázala, že JUICE kvůli vyklopení posledního segmentu začala oscilovat, což systém AOCS zaregistroval a stabilizoval sondu. Na úplný závěr ještě kamery potvrdily vítězství celého týmu. Anténa RIME byla nyní v plně rozložené konfiguraci. Ronan Le Letty přiznává, že úleva po spatření úspěšného vyklopení byla okořeněna troškou dříve zažívaného pocitu nevěřícnosti. „Tak trochu mi to připomínalo první den po objevení problému. Nemohl jsem tomu uvěřit, protože čtyři týdny enormního tlaku právě náhle skončily. Opravdu jsem tomu nemohl uvěřit i když jsem viděl ty obrázky,“ popisuje.

„Když se anténa RIME plně rozvinula, téměř jsem viděl slzy v očích mých kolegů,“ popisuje Giuseppe Sarri načež jedním dechem dodává: „Ale byli jsme od začátku pozitivně naladěni a v ledničce se už chladilo šampaňské …“ Jakmile byly bublinky vypité a tým si řádně odpočinul, mohli letoví řídící ve středisku ESOC pokračovat s dalšími kroky vyklápění dalších prvků sondy, přičemž všechny už byly úspěšné. Týmy z ESA, Airbus a SpaceTech nyní dokončují analýzu, která podrobně rozebírá příčinu celé anomálie, aby bylo možné těmto situacím u příštích misí systematicky předcházet. A sonda JUICE? Ta je opět na nejlepší cestě ke stoprocentnímu úspěchu.

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://www.esa.int/…/24680766-1-eng-GB/Juice_flyby_of_Ganymede_artist_s_impression.jpg
http://www.spacetech-i.com/images/news/2016-05-23-JUICE-RIME-Antenna-Proposal.jpg
https://www.esa.int/…/Deployment_of_the_first_segment_of_Juice_s_RIME_antenna.gif
http://sci.esa.int/…/04/JUICE_RIME_antenna_in_HERTZ_facility_Sep2018_6.jpg
https://www.esa.int/…/Juice_s_longest_antenna_awaits_deployment.png
https://www.esa.int/…/24856760-1-eng-GB/Juice_s_wriggling_RIME_antenna.gif
https://spacetech-i.com/…/SpaceTech_open-positions_header-3_2000x500px.jpg
https://www.media.inaf.it/wp-content/uploads/2023/05/antenna-rime-scaled.jpg
https://cdn.sci.news/images/enlarge10/image_11772e-Europa.jpg
https://www.esa.int/…/24882653-1-eng-GB/Juice_RIME_antenna_deploys.gif
https://www.esa.int/…/24977579-1-eng-GB/Celebrating_RPWI_deployment.png