Proč trvá sondě JUICE cesta k Jupiteru tak dlouho?

Země a Jupiter se k sobě mohou přiblížit na minimální vzdálenost zhruba 600 milionů kilometrů. V době, kdy vzniká tento článek, už uplynulo více než 5 měsíců od startu evropské sondy JUICE, která k Jupiteru míří. Ačkoliv však sonda urazila vesmírem již vzdálenost 370 milionů kilometrů, má za sebou pouhých 5 % celé cesty. Proč jí to trvá tak dlouho? Odpověď spočívá v mnoha faktorech, které mají experti na letovou dynamiku z řídícího střediska agentury ESA v malíčku. Mají k dispozici údaje k množství pohonných látek, které využije nosná raketa, o hmotnosti sondy, ale třeba také o postavení planet v naší soustavě. Na základě těchto (a mnoha dalších) informací experti navrhují cestu sondy. Laikům může svět orbitální mechaniky připadat neintuitivní, ale s trochou trpělivosti a hodně plánováním tento obor umožňuje jen s trochou pohonných látek udělat hodně vědy, což si dnes popíšeme v článku, který vyšel na webu agentury ESA.

Ať už se díváte na oblohu pouhýma očima, či dalekohledem, nebo se díváte na animace drah kosmických těles, všimnete si, že planety, měsíce, hvězdy i galaxie jsou v neustálém pohybu vůči sobě navzájem. Ve chvíli, kdy nějaká mise startuje ze Země k jinému kosmickému tělesu, není to tak, že by sonda odskočila od nehybné planety, protože zeměkoule obíhá okolo Slunce rychlostí přibližně 30 km/s. Díky tomu má sonda vypuštěná ze Země značné množství „orbitální energie“, což je hlavní hodnota, na které záleží, když určujeme tvar oběžné dráhy okolo centrálního tělesa. Těsně po startu je sonda více či méně na stejné dráze okolo Slunce jako naše planeta.

Aby mohla opustit tuto dráhu a vydat se ze Země k Jupiteru nejkratší možnou (přímou) dráhou k Jupiteru, byla by zapotřebí gigantická raketa s ohromným množstvím pohonných látek. Dejme však tomu, že bychom ji dokázali postavit. Narazili bychom ale na další problém. Taková hypotetická sonda vypuštěná od Země po přímé dráze vstříc Jupiteru by potřebovala mnohem více pohonných látek k tomu, aby kolem Jupiteru jen neproletěla, ale aby u něj mohla zpomalit a vstoupit na jeho oběžnou dráhu. Jupiter a Země jsou v neustálém pohybu vůči sobě navzájem. Nejdále od sebe mohou být 968 milionů kilometrů, což nastává ve chvíli, kdy se mezi nimi nachází Slunce. Naopak nejkratší vzájemná vzdálenost mezi oběma planetami je již v úvodu zmíněných zhruba 600 milionů kilometrů. Jenže toto maximální přiblížení trvá jen okamžik a poté se od sebe planety zase začnou vzdalovat. Jinými slovy – nikdy si vůči sobě neudržují neměnnou vzdálenost.

Je to způsobeno tím, že planety se okolo Slunce pohybují po různých drahách odlišnými rychlostmi. Zkuste si představit, že sedíte v jedoucím autě a máte za úkol vyhodit míč a zasáhnout s ním jiný pohybující se objekt. Inženýři jsou na tom podobně a musí proto počítat ideální okamžik k provedení „skoku“ z dráhy Země, přičemž míří do místa, kde jupiter bude, když tam sonda dorazí. Nemíří tedy do místa, kde se Jupiter nachází v okamžiku startu ze Země. S trochou fantazie se dá tato situace přirovnat k hokejové či fotbalové přihrávce, která míří do volného prostoru, kde ještě spoluhráč není, ale přihrávající hráč ví, že si tam naběhne či najede.

Zkusme si představit, že máme Velmi silnou raketu a ve správnou chvíli, kdy jsou planety správně srovnány, vyrazíme po nejkratší trajektorii. Jak dlouho by to trvalo? Starší kosmické sondy jako Voyager či Pioneer tuto vzdálenost urazily za méně než dva roky a nejrychlejší objekt, který se vydal k Jupiteru, byla mise New Horizons. Odstartovala 19. ledna 2006 a k Jupiteru se maximálně přiblížila 28. února 2007, takže jí cesta k obří planetě trvala jen lehce přes rok. Všechny tyto mise však u Jupiteru nezůstaly, pouze kolem něj proletěly a mířily dál. Jsou tedy dobrými příklady toho, za jak dlouho od startu se dostanete k průletu kolem Jupiteru při cestě někam dál.

K tomu, aby se sonda usadila na oběžné dráze obří planety a mohla ji studovat ze všech stran a v průběhu času, případně se dostat na oběžnou dráhu okolo jejího měsíce, je potřeba, aby se zbavila části své energie. Takové zpomalení bude vyžadovat mnoho pohonných látek pro manévr, který sondu navede na oběžnou dráhu kolem Jupiteru. Pokud tedy nechcete startovat s ohromným množstvím pohonných látek, musíte to vzít ne tak přímou cestou s dobou přeletu 2,5 roku.

Tady vidíme, jak hmotnost sondy klíčově ovlivňuje dobu, kterou sonda potřebuje, aby se někam dostala. Inženýři musí pečlivě sledovat hmotnost sondy, balancovat množství pohonných látek a vědeckých přístrojů, které s sebou musí nést, aby splnila svou misi. Čím více hmoty sonda má, tím více paliva s sebou musí nést. Tím pádem sonda těžkne a je složitější ji vynést. Tím se dostáváme k vlastnostem a schopnostem nosné rakety. Sonda musí při vypuštění dosáhnout dostatečné rychlosti, aby opustila zemskou gravitaci a vydala se do vnějších oblastí Sluneční soustavy. Čím silnější je použitá raketa, tím kratší je přelet.

Sonda JUICE byla jednou z vůbec nejtěžších meziplanetárních sond, jaké kdy byly vypuštěny – vážila lehce přes šest tun. Na své palubě nese největší soubor vědeckých přístrojů, jaké kdy k Jupiteru zamířily. Dokonce i masivní nosná raketa Ariane 5 nebyla schopna postrčit sondu JUICE tak, aby mohla letět k Jupiteru přímo. Z tohoto důvodu se současné sondy jako JUICE či Europa Clipper musí spoléhat stejně jako dřívější sondy Galileo či Juno na takzvané gravitační manévry, během kterých při průletech kolem kosmických těles získávají rychlost navíc. Čím větší postrčení, tím snazší bude cesta.

Trpasličí planeta Pluto se nachází velmi daleko od Slunce a na své oběžné dráze musí urazit mnohem větší vzdálenost než Merkur, nejvnitřnější planeta naší soustavy. Ačkoliv se Pluto vůči Slunci pohybuje mnohem pomaleji než Merkur, jeho orbitální energie je výrazně vyšší než Merkurova. K tomu, abychom dostali sondu na oběžnou dráhu kolem jiné planety, musíme srovnat orbitální energii sondy s orbitální energií dané planety. Když byla vypuštěna mise BepiColombo, byla její orbitální energie srovnatelná s pozemskou. Sonda se proto musela této energie zbavit, aby klesla blíže ke středu Sluneční soustavy. Přebytečné orbitální energie se zbavila při průletech v blízkosti sousedních planet.

Pokud tento princip obrátíme, zjistíme, že funguje i pro cestu do vnějších oblastí Sluneční soustavy. K tomu, abychom se dostali na rozměrově větší oběžnou dráhu, která leží dále od Slunce, musí sonda JUICE odebrat trochu orbitální energie Zemi, či Venuši. V závislosti na relativním směru pohybu planety a sondy může gravitační manévr buďto zrychlit, zpomalit, nebo změnit směr sondy. Sonda naopak také trochu ovlivní planetu, ovšem pro ni jde o tak maličkou změnu, že ji můžeme směle zanedbat. Každopádně však nedochází k porušení třetího Newtonova pohybového zákona: „Každá akce vyvolá stejně velkou opačně orientovanou reakci.“

Sonda JUICE využije sérii průletů okolo Země, systému Země-Měsíc a Venuše, což ji navede na dráhu, která zajistí její setkání s Jupiterem v červenci 2031. Tehdy začne týmu, který řídí let sondy, nejsložitější období, v rámci kterého bude JUICE prozkoumávat složitý systém v okolí obří planety. Složitá trajektorie sondy v průběhu celé mise obnáší několik gravitačních manévrů na cestě k Jupiteru (včetně vůbec prvního průletu kolem Měsíce a Země). Jakmile se však sonda dostane k Jupiteru, bude na ni čekat působivých 35 průletů kolem tzv. galileovských měsíců – Europy, Ganymedu a Callisto. Závěrečným bodem zájmu bude Ganymed, na jehož oběžnou dráhu má JUICE vstoupit. Stane se tak první oběžnicí nezemského měsíce.

Pokud bychom v plánu celé mise hledali nejdůležitější manévr, na který bude řídící středisko dohlížet, pak by to byl zážeh, který pouhých 13 hodin po gravitačním manévru u Ganymedu zpomalí sondu o zhruba 1 km/s, aby JUICE vstoupila na dráhu kolem Jupiteru. Dostat se na dráhu, která umožní sondě obíhat kolem libovolného kosmického tělesa, není snadné. Sonda musí přiletět správou rychlostí ze správného úhlu a poté musí ve správnou chvíli provést klíčový a výrazný manévr, jehož rozsah musí přesně vystihnout a být během něj správně orientována v prostoru. Pokud přiletí příliš rychle nebo pomalu, příliš ostře, nebo tupě, zahájí manévr ve špatnou chvíli, její zážeh bude trvat déle, či kratší dobu, nebo bude špatně orientována v prostoru, pak je velmi pravděpodobné, že mise skončí neúspěšně. Buďto sonda odletí pryč do vesmíru, nebo se dostane na tak odlišnou dráhu, že se na tu původně plánovanou už nikdy nedostane, protože nebude mít dostatek pohonných látek pro její korekci.

Pokud se ale vše podaří, bude to stát za to. JUICE se dostane nablízko k měsícům Jupiteru, aby získala fotky a měření, jaká tu ještě nebyla. Mohl by se pod ledovou krustou Ganymedu, Europy a Callisto ukrývat život? Co se dozvíme o vzniku planet a měsíců v celém vesmíru? Díky zázrakům orbitální mechaniky se to už (relativně) brzy dozvíme.

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
http://sci.esa.int/science-e-media/img/cb/JUICE_spacecraft_20170711.jpg
https://www.esa.int/…/Propulsion_lift-off_orbit_adjustments_and_travelling_through_space.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4f/New_Horizons_Transparent.png
https://www.esa.int/…/Juice_encapsulated_in_Ariane_5_fairing.jpg
European Space Agency (ESA): BepiColombo Launch Media Kit. 2018.
https://www.esa.int/…/juice_mission/17066055-4-eng-GB/Juice_mission.png