Dobývání kosmu: Jak přistát na vzdálených planetách a měsících

Relativně nejsnazší je přitom cesta na naši jedinou přirozenou družici – na Měsíc. Jednak jsme jej už dobře prozkoumali, jednak krouží „za humny“. Především ale nemá atmosféru, takže pro přistání stačí raketový motor a nemusíme se zabývat tepelnými štíty, padáky či airbagy (přestože sovětské sondy Luna kdysi nafukovací vaky pro ztlumení dopadu využily). Družice pak mohou získávat navigační i řídicí data ze Země: například čínský výsadkový modul Čchang-e 3 mohl zůstat „viset“ ve výšce 100 m nad cílovou oblastí téměř dvě minuty, než dali pozemní specialisté souhlas se závěrečným sestupem.

Na druhou stranu si nelze nalhávat, že nic jednoduššího než přistání na Měsíci neexistuje. Každá anomálie se může změnit v osudovou – sonda se při dosedání třeba překlopí, což se ostatně stalo například sovětské Luně 23. V každém případě, přistání na vzdálenějších světech přece jen představuje větší výzvu.

Nepřátelský Mars

Žádnou jinou planetu nezkoušelo lidstvo dobýt tolikrát jako Mars. Započítáme-li i kvarteto výsadkových modulů neúspěšné ruské sondy Mars 8, která v roce 1996 vůbec neopustila oběžnou dráhu Země, dospějeme k 19 pokusům! Jen devět z nich se však podařilo dotáhnout do vítězného konce.

Rudá planeta si svá tajemství střeží až žárlivě. Její atmosféra je příliš řídká na to, abychom se o ni mohli pořádně opřít (například robot Curiosity by k hladkému přistání potřeboval padák o ploše několika hektarů), ale zároveň příliš hustá, než abychom ji mohli zcela ignorovat. Z toho plyne jedna zásadní nepříjemnost: nemůžeme zvolit pouze jediný způsob snižování rychlosti během dosednutí – musíme vsadit na jejich kombinaci.

Typickou volbou pro dosažení povrchu Marsu se stal tepelný štít, který umožňuje snížit rychlost z několika kilometrů za sekundu na několik set metrů. Následuje brzdicí padák, s nímž se dostáváme ke stovce metrů za sekundu. Finální zážeh raketových motorů pak zajistí hladké dosednutí v jednotkách metrů za sekundu. Uvedeným způsobem přistály sondy Viking, Phoenix nebo Curiosity a či nové sondy InSight, Schiaparelli či Mars Rover 2020 alias Curiosity 2.

Jako do peřin

Mars ovšem konstruktéry přímo vyzývá k využití nafukovacích vaků – airbagů – pro zajištění finálního měkkého dosednutí. Američané takto triumfovali v případě sond Pathfinder, Spirit a Opportunity, Rusové plánovali airbagy pro dva ze čtyř výsadkových modulů v programu Mars 96 (alias Mars 8), Britové je – s ne zcela jasným výsledkem – použili u mise Beagle 2 a Evropská kosmická agentura (ESA) chystá podobné řešení pro sondu ExoMars s plánovaným startem v roce 2018.

U misí Pathfinder a následně u roverů Spirit a Opportunity se dostal ke slovu prakticky totožný systém: osm sekund před kontaktem s povrchem rudé planety se začalo nafukovat 24 airbagů, každý zhruba o průměru 1 m. Sondy se v té chvíli ještě snášely na padáku a následně se zažehly brzdicí motory na tuhé pohonné látky. Po dvou sekundách snižování rychlosti se průzkumník v kokonu airbagů uvolnil, konkrétně ve výšce 20 m při nulové rychlosti. Povrchu pak dosáhl volným pádem rychlostí 18 m/s a v důsledku balonovitého tvaru několikrát poskočil, než se zastavil. Poté bylo nutné vaky vyfouknout a zajistit, aby nezkomplikovaly rozkládání sondy. 

I z tohoto silně zjednodušeného popisu vyplývá, že použití zmíněné technologie není úplně snadné, a kromě toho nepředstavují airbagy všelék: dokážou totiž na Mars dopravit náklad pouze o omezené hmotnosti a zhruba u hranice 200 kg narážejí na technologický „skleněný strop“, přičemž jejich případné další zvětšení neodpovídá nárůstu dopravní kapacity. Ostatně, u americké sondy Pathfinder počítali konstruktéři původně s tím, že celý systém nafukovacích vaků včetně zásob pracovního plynu bude vážit 15 kg, ovšem nakonec dospěli až k 85 kg, tedy asi k šestinásobku.

Volným pádem na Venuši

Plynný obal Venuše přirovnávají vědci s oblibou k „atmosférické polévce“: s hustotou 56 kg/m³ dosahuje téměř 47násobku v porovnání s atmosférou naší planety (1,2 kg/m³), přičemž tlak je na povrchu druhého člena Sluneční soustavy zhruba 90× větší než ten pozemský. Husté ovzduší velmi zjednodušuje přistání, i když vysoký tlak naopak komplikuje přežití sondy, což je ovšem jiná otázka. Každopádně například sovětské Veněry odhazovaly brzdicí padák ve výšce kolem 50 km a dále pokračovaly volným pádem – přesto dosedaly na povrch Venuše rychlostí jen 7–8 m/s.

Výzva jménem Titan

Přistání evropského modulu Huygens na Saturnově měsíci Titan v lednu 2005 se dodnes považuje za největší úspěch evropské kosmonautiky a jeden z největších triumfů lidstva při průzkumu vesmíru vůbec. V době přípravy mise jsme o Titanu nevěděli téměř nic, přesto jej vědci považovali za natolik zajímavé těleso, že stálo za to riskovat. Například podíl argonu v tamní atmosféře jsme nedokázali stanovit spektroskopicky ze Země (různé modely ukazovaly jeho zastoupení od zanedbatelných hodnot až po 21 %), a přitom má významný vliv na chování těles při nadzvukových rychlostech či při tepelném namáhání, což se týkalo i modulu Huygens. Konstruktéři tak museli počítat s širokou paletou scénářů. Palubní počítač se navíc rozhodoval v reálném čase, protože na konzultace se Zemí nezbýval čas a nebyly ani technicky možné.

Nejprve se dostal ke slovu tepelný štít, který během pěti minut snížil rychlost z 6 km/s na 400 m/s, přičemž modul dosáhl přetížení 13 G. Uvedené rychlosti se na první pohled zdály srovnatelné s přistáváním na modré planetě, nicméně Huygens se setkal s atmosférou už ve výšce 1 270 km, zatímco těleso dosedající na Zemi se s ní střetne zhruba desetkrát níž. Plynný obal Titanu je zkrátka „jiný“. Modul proto také klesal z výšky 155 km na padácích 2,5 hodiny, kdežto na naši planetu by se snesl za 15 minut. Pro zajímavost doplňme, že tepelný štít sondy využíval technologie vyvinuté pro evropský raketoplán Hermes, který byl nakonec zrušen.

Cesta na kometu

První komety jsme se „dotkli“ v červenci 2005: jádro vlasatice 9P/Tempel tehdy zasáhl půltunový projektil americké mise Deep Impact. Ke střetu ovšem došlo rychlostí 10,3 km/s, takže se modul při dopadu vypařil. Vytvořil však kráter o velikosti Kolosea, který mohla následně mateřská průletová sonda studovat včetně vyvržené horniny.

První plnohodnotné přistání na povrchu vlasatice uskutečnil až evropský modul Philae v listopadu 2014. Přitom jen synchronizace dráhy letu s cílovým tělesem 67P/Čurjumov-Gerasimenko si vyžádala deset let! Komety jsou hodně nevypočitatelné a kvůli malým rozměrům s nimi ostatní objekty ve Sluneční soustavě rády hrají „biliár“. Misi navíc ESA chystala tři desetiletí a její finální koncepce se zformovala už před dvaceti lety. Nebylo proto možné použít nejmodernější techniku a projekt často vycházel i ze čtvrt století starých technologií. Přitom ještě v roku 2014 – tedy pár týdnů před přistáním – jsme vůbec netušili, jak jádro cílového tělesa vypadá.

TIP: Jaké družice se přiblížily ke kometám, nebo je dokonce navštívily?

Teoreticky se jeví dosažení kometárního povrchu jako jednoduchá záležitost: Rosetta zahájila sestup, načež uvolnila modul Philae, který následně – stabilizovaný pouze rotací – po sedmi hodinách přistál. Nicméně: K dispozici jsme měli jen velmi omezené množství navigačních dat, přičemž vlasatice se v té době nacházela zhruba půl miliardy kilometrů od Země. Modul byl navíc konstruován pro přistání na mnohem menší kometě 46P/Wirtanen a 67P/Čurjumov-Gerasimenko se stala náhradním cílem poté, co bylo nutné odložit start kvůli problémům s raketou Ariane 5. Obě tělesa se přitom značně liší, a musel se tedy přepracovat i celý přistávací manévr: například přítlačná tryska pro udržení modulu na kometě bezprostředně po dosednutí (tak aby se do jejího povrchu stihly zavrtat šrouby na přistávacím podvozku) hrála původně jinou roli – měla zajistit odlet Philae od Rosetty.

Ve světle uvedených skutečností musíme úspěšné přistání modulu, jenž poté fungoval na povrchu tělesa více než 55 hodin, považovat za nesmírný úspěch. ESA dokonce tvrdí, že se navzdory všem problémům podařilo získat 80 % plánovaných vědeckých dat. Philae však bohužel nedosáhl původně zvolené oblasti: po prvním dosednutí se opakovaně odrazil a definitivně přistál v místě s nedostatkem slunečního svitu. Musel se tak spolehnout pouze na své palubní akumulátory a nemohl využít solární baterie.