Laikovi může připadat vzhled družice nelogický a v některých případech snad i nevzhledný. Návrh konstrukce každé sondy však podléhá přísným pravidlům. Jednak musí být uzpůsobena pro svou plánovanou činnost a v neposlední řadě musí přežít let na oběžnou dráhu. A právě o to se starají odborníci ze společnosti OHB Czechspace v Brně.

IMG_4996

Ondřej Krepl je výpočtář ve vývojové společnosti OHB Czechspace. Právě on je zodpovědný za to, že každá družice, kterou firma navrhne, bez potíží přežije jednu z nejnáročnějších fází své kariéry – samotný start. Ne, že by samotný vesmír byl k zařízení nějak šetrný, ale při startu působí na raketu i náklad tolik faktorů naráz, jako už nikdy potom.

Během prvních osmi minut zažije družice přetížení přes 9 G, hluk přesahuje hranici 140 dB a vibrace se pohybují v rozmezí nula až 100 Hz v rámci jednoho G. Velkým vibracím čelí aparatura i při následném odpojování jednotlivých raketových stupňů, kdy odpálení pyro zařízení způsobí šokovou vlnu, která se šíří až k samotnému nákladu. Strukturální subsystém družice, což je zjednodušeně řečeno nosná kostra nebo karosérie družice, musí pochopitelně všem těmto vlivům odolat. Zároveň na oběžné dráze chrání uloženou aparaturu před extrémními výkyvy teplot a případnými mikrometeority.

V Brně se družice „počítají“ od roku 2018, kdy OHB Czechspace vznikla. Firma je pobočkou německé matky OHB SE, která se podílí na leteckých, ale zejména kosmických projektech. Mezi ně patří i geostacionární satelity pro dálkový průzkum Země, navigaci, telekomunikace a nejrůznější vědecké průzkumy.

Jeden z největších a nejambicióznějších projektů, pro který odborníci z OHB navrhnou strukturální subsystém, je evropská družice Hera. Ta se vydá do vesmíru pět let po startu americké sondy DART (Double Asteroid Redirection Test), která se řízeně srazí s měsícem Didymoon u asteroidu Didymos. Heru by měla vynést raketa Ariane 6 a bude mít za úkol monitorovat, co náraz sondy do měsíce způsobí a jak se oběžnice případně vychýlí ze své dráhy. Zatímco totiž pozemské dalekohledy budou zaslepeny množstvím prachových částic, který kolize vzedme, Hera z oběžné dráhy vše dobře „uvidí“. Pro vědce by mohl tento experiment přinést důležité poznatky pro případ, že by střet s podobným tělesem hrozil Zemi. Jak dodává Ondřej Krepl: „Mise musí odstartovat zcela podle plánu, protože startovací okno dané konfigurací asteroidů bude velmi krátké.“

Požadavky, které jdou proti sobě

Požadavky na konstrukci družice jsou od začátku protichůdné. Zatímco pro podmínky startu by se hodilo postavit strukturu co nejtužší, v kosmu by byla mohutnost naopak na závadu. Zatímco z jedné strany praží na sondu energie 1360 W/mod Slunce, na druhé straně je mráz. Extrémní rozdíl teplot způsobí, že jednotlivé struktury a spoje začnou teplotně pracovat. Pokud by byly příliš tuhé, pokroutily by se nebo dokonce popraskaly. To by pochopitelně mohlo vést až k destrukci sondy nebo minimálně k znepřesnění připevněných aparátů. Pro představu, například kamery se stále musí dívat na stanovené místo a jakýkoliv posun optiky je nepřijatelný.

Užitný náklad družice je umístěný většinou v hliníkových boxech a každý takový kus zařízení je certifikovaný na určité zatížení, na které je i otestovaný. Konstrukce družice pak musí být spočítána a postavena tak, aby v místě, kde je daný instrument připevněný, nepřesahovalo přenášené zatížení povolenou mez.

IMG_4991

Strukturální analytik nejprve konstrukci v designové fázi spočítá a vymodeluje ve specializovaném softwaru. Na základě výsledných parametrů se postaví takzvaný strukturální model. Jeho výroba probíhá naprosto totožným způsobem jako u finálního satelitu. Model se následně osadí chytrými závažími, která při vibračním testu (na vibračním stole) nahrazují skutečnou a pochopitelně drahou aparaturu. Mají identicky položená těžiště, stejné rozměry, atd. a simulují odezvu skutečných přístrojů na chování struktury družice v kritických fázích letu.

„Struktura družice obsahuje tisíce spojovacích prvků. My musíme prověřit každý jeden nich, zda při startu neselže. Aby bylo vůbec časově možné tak obrovsky komplexní systém spočítat, musíme si určit podstatné fyzikální vlivy, které budou konstrukci nejvíce zatěžovat. Ty ostatní pro výpočet neuvažujeme,“ shrnuje nutný pragmatický přístup při návrhu Krepl.

Dokonalý sendvič

Základ konstrukce družice je tvořen sendvičovou deskou z nejrůznějších materiálů. Typicky je mezi dva tenoučké panely z uhlíkových vláken vložena hliníková voština. Samotný uhlíkový kompozit má tloušťku pouhých 0,3 milimetru (používá se i 0,6 mm). Je složený ze čtyř vrstev vždy o 45 stupňů natočených uhlíkových vláken. Tím je zajištěno, že celek má ve všech směrech stejné vlastnosti. „Tato technologie nám dává obrovskou designovou svobodu, protože obecně je možné vlákna orientovat jakkoliv podle plánovaného směru zatížení,“ dodává Krepl.

Použité materiály, celková tloušťka sendviče, průměr a tvar voštin, to vše jsou proměnné, se kterými musí strukturální analytik počítat. „Je zde minimálně pět různých módů selhání. Při namáhání ohybem se může zhroutit jádro sendviče, pokud by byl moc tlustý, může se lokálně oddělit jeden z panelů, může také prasknout, atd. S tím vším je při návrhu nutné počítat,“ dodává Ondřej Krepl.

Asi netřeba dodávat, že funkce satelitu je vždy plánována na řadu let a tam nahoře jakákoliv oprava případné závady není možná.

Kam s odpadním teplem

V kosmickém programu obecně není příliš prostoru pro improvizaci. U drahých misí z logických důvodů ani není možné používat nevyzkoušené a časem neprověřené součástky a materiály. Nicméně s nástupem soukromého sektoru do kosmického výzkumu se i zde situace výrazně zlepšila. Na malých projektech nové postupy zkoušet lze. Vývoj mohutně podporují i velcí hráči.

„Evropská kosmická agentura pravidelně vypisuje tendry na vývoj prototypů a zařízení, které ještě nikdy do kosmu neletěly. Naše firma je součástí evropského konsorcia firem řešící jeden z největších problémů družic, kterým je odpadní teplo aparatury družice,“ vysvětluje Krepl.

Množství užitného nákladu je limitováno schopností sondy vyzářit odpadní teplo, které aparatura vyrobí, do kosmického prostoru. „Množství tepla, kterého je schopna sonda se takto zbavit je přímo úměrné ploše vyzařujících panelů neboli radiátorů. V současnosti se kromě běžných radiátorů používají k chlazení aparatury nejrůznější řešení včetně aktivního chladícího okruhu. My však pracujeme na pasivním systému rozkládacích radiátorů, které dokáží výrazně zvětšit svou plochu a tím i účinnost. Takové řešení by mělo být jednoduché a tedy i spolehlivé a podstatně levnější,“ vysvětluje Ondřej Krepl.

IMG_4992

Radiátory jsou nutnou strukturální součástí satelitu. Přímo na nich jsou přístroje umístěny. Samy o sobě skvěle vyzařují teplo, ale zároveň je jejich povrh potažen speciálním zrcadlem, které odráží maximální množství dopadajícího záření z okolí. Nový rozkládací radiátor nese kódové označení LIDER.

Zatímco systém nového chlazení nebo sonda Hera jsou otázkou blízké budoucnosti, v OHB Czechspace se připravují i na vzdálenější cíle. V české pobočce se například chystá konceptuální návrh kosmického tahače nákladu na Měsíc. Ten by měl v budoucnosti vozit náklad na Měsíc pro výstavbu a následně zásobování výzkumné stanice. Ačkoliv je projekt na samém začátku, už nyní okolo něj probíhají velké přípravy v rámci spolupráce NASA, ESA, JAXA a dalších agentur a firem.

V přípravě je i geostacionární satelit Electra pro ESA. Ten bude zvláštní svým pohonem. Místo tradiční chemické pohonné jednotky použijí vědci tentokrát elektrickou. Iontový motor má totiž jednu zásadní výhodu, dokáže poskytovat malý tah po velmi dlouhou dobu. Také proto se většinou používá v misích mířících daleko do sluneční soustavy. U geostacionární družice se efektivní spotřeba paliva využije ve prospěch těžšího nákladu. Logickou nevýhodou pak je delší čas, po který bude sonda na svou konečnou oběžnou dráhu cestovat.

Foto a text Jan Kužník

Odpovědět