Perspektivy rozvoje kosmických aktivit v České republice

Původně vznikl Výzkumný a zkušební letecký ústav (VZLÚ) v Praze Letňanech jako pracoviště pro vývoj a testování letecké techniky. Již v počátcích rozvoje kosmonautiky v Československu se v oblasti testování částečně podílel také na vývoji prvních československých satelitů. V poslední době se Evropa snaží dohnat technologický náskok Ameriky a Ruska v kosmické technice. Věnuje proto značné úsilí a prostředky na rozvoj kosmických aktivit. Proto se většina výzkumných pracovišť v Evropě srovnatelných s VZLÚ angažuje také v kosmické oblasti. Podíl kosmických zakázek u nich činí až 40 %. Česká republika by se mohla také stát v horizontu dvou let členem Evropské kosmické agentury ESA. VZLÚ se proto vybavuje potřebnou technikou, informacemi a také personálně, aby mohl provádět komplexní zkoušky minisatelitů a kosmických přístrojů. Přestože bývalá ČSSR byla po USA a Sovětském svazu třetím státem světa, který realizoval vlastní satelit (Magion I), a také třetím státem světa, který měl vlastního kosmonauta Ing. Vladimíra Remka, nevznikl až dosud v České republice Institut pro rozvoj kosmické techniky, jako tomu bylo ve vyspělých zemích i v okolních státech. V roce 1997 byla založena Rada pro spolupráci s ESA, která byla později přeměněna na Českou radu pro kosmické aktivity (ČRKA). Ta je poradním orgánem MŠMT a má koordinovat všechny kosmické aktivity v rámci celé ČR. Tato instituce však nemá žádný vlastní rozpočet pro podporu tohoto odvětví. V listopadu 2003 k ní přibyla Česká kosmická kancelář, o.p.s. (Czech Space Office - CSO). Obě instituce se zasloužily o to, aby byla podepsána mezi ČR a ESA dohoda o našem přistoupení k Plánu pro spolupracující státy ESA, označená zkratkou PECS. Na tuto spolupráci je za státního rozpočtu vyčleněno 30 miliónů Kč ročně. Přidělování těchto prostředků je však plně pod kontrolou ESA. Teprve v poslední době se v ČRKA prosazuje stanovisko, že Česká republika by měla financovat i vlastní národní program rozvoje kosmických aktivit a nebýt závislá jen na projektech ESA. Dá se tedy očekávat, že v ČR vznikne stálá základna pro rozvoj kosmických aktivit a že se postupně bude rozvíjet i skutečný kosmický průmysl. STRATEGIE VZLÚ PŘI ROZVOI KOSMICKÝCH AKTIVIT Na tomto předpokladu je založena i strategie VZLÚ v kosmické oblasti. Základním předpokladem pro naše zapojení do mezinárodních projektů v rámci ESA je dosažení srovnatelné úrovně technologie a spolehlivosti. Pro vývoj nových technologií, minisatelitů či kosmických přístrojů je mimořádně důležité mít prostředky na jejich testování. Cena každého kosmického projektu je tvořena hlavně třemi složkami: Cenou vývoje zařízení, cenou vynesení na oběžnou dráhu a cenou provozu a zpracování získaných dat. Cena vývoje je dále tvořena vlastním vývojem a cenou rozsáhlého testování. Provádění těchto testů v zahraničí je obvykle velmi nákladné. VZLÚ se proto vybavuje na jedné straně informacemi (know-how) jak testovat na straně druhé přístroji, které toto testování umožní. V počáteční fázi se VZLÚ omezuje na objekty do hmotnosti 100 kg a objemu do 1 m3. V této třídě objektů se dají realizovat díky současné miniaturizaci v elektronice i novým mechanickým (nano-) technologiím velmi složité a výkonné kosmické systémy, minisatelity a přístroje. VZLÚ tedy nejdříve vybudoval čistý prostor třídy 100 000, který je základním předpokladem, pro realizaci a testování kosmických přístrojů. Do tohoto prostoru je možno umístit vibrační stolici pro vibrační a rázové zkoušky. V současné době byla uvedena do zkušebního provozu centrifuga pro testování odolnosti konstrukcí při statickém zatížení. Umožňuje vyvinout odstředivou sílu až 25 g na rameni 3,5 m dlouhém pro objekty do hmotnosti 100 kg. AKTIVITY VZLÚ PŘI VÝVOJI KOSMICKÝCH PŘÍSTROJŮ VZLÚ se angažuje i přímo při vývoji a výrobě kosmických přístrojů. Pod vedením Astronomického ústavu AV ČR byl koncem minulého století zahájen vývoj přístroje pro měření nepatrného zpomalení satelitů na oběžné dráze, který se nazývá mikroakcelerometr. Nejprve byl jeho princip úspěšně ověřen letem prototypu tohoto přístroje na ruském satelitu Resurs F1 v roce 1992. Na obr. 1 je vidět umístění čidla mikroakcelerometru na plášti tohoto satelitu. Zdokonalená verse byla umístěna na raketoplánu Atlantis při letu číslo STS-79 v září 1996 v rámci projektu MACEK, obr. 2 ukazuje provedení tohoto modelu. Výsledky získané během tohoto letu byly velmi dobré a proto byl zahájen projekt MIMOSA. V rámci tohoto projektu byl vypuštěn specializovaný nestabilizovaný satelit, tvarem blízký kouli, na jehož palubě byl umístěn třetí vývojový model mikroakcelerometru, označený MAC-03. Cílem projektu bylo měření poklesu satelitu vlivem vrchních vrstev atmosféry. Bohužel tento projekt byl provázen mnohými problémy, jejichž analýza by byla velmi obsáhlá. Vlivem několika dílčích selhání, satelit nemohl v plném rozsahu splnit svůj vědecký účel. Po rozboru příčin poruch se ukázalo, že projekt takového rozsahu a i další vývoj samotného mikroakcelerometru je výhodnější provádět ve větší organizaci. Český mikroakcelerometr byl vybrán také jako možný kandidát mezi přístroji určenými pro mezinárodní projekt SWARM, zařazený do programu ESA. Bylo tedy nutno, aby za jeho vývojem a realizací stála seriózní a mezinárodně uznávaná organizace. PRINCIP ČINNOSTI MIKROAKCELEROMETRU Základem mikroakcelerometru je čidlo, které je tvořeno velmi přesnou krychlovou dutinou, v níž se na oběžné dráze volně vznáší krychlička z křemenného skla, tak zvaná seismická hmota. Rozměry dutiny jsou 30 x 30 x 30 mm s odchylkou maximálně jedné tisíciny milimetru a na stěnách dutiny jsou napařeny tři čtveřice elektrod pro řízení polohy krychličky pomocí elektrostatických sil. Krychlička je celá pokovena a její rozměry jsou o 0,4 mm menší, než rozměry dutiny při stejné přesnosti výroby. Krychlička má šest stupňů volnosti. Tři translační a tři rotační. Poloha krychličky je proto řízena šesti elektrostatickými servomechanismy, z nichž vždy jeden translační a odpovídající rotační jsou sdruženy do jedné řídící desky a působí společně na dva páry elektrod, umístěných na protilehlých stranách dutiny. Tvar hranolů z křemenného skla, ze kterých je složena měřící dutina, jejich elektrod a krychlička jsou zobrazeny na obr. 3. V rozích dutiny jsou vytvořeny dorazy, které omezují volný pohyb krychličky uprostřed dutiny na + 20 µm. Pro řízení polohy krychličky je nutné zjišťovat její odchylku od středu dutiny. K tomu jsou využity polohové detektory pracující na principu měření kapacity mezi krychličkou a jednotlivými elektrodami dutiny. Řídicí systém polohy krychličky je relativně komplikovaný, protože musí řídit všech šest stupňů volnosti současně. Tento řídicí systém udržuje v beztížném stavu krychličku uprostřed měrné dutiny. Protože regulační rozsah řídícího systému umožňuje kompenzovat zrychlení do velikosti 10-4 ms-2 , což je jedna stotisícina gravitačního zrychlení působícího na povrchu Země, nemůže toto čidlo pracovat v pozemských podmínkách. S tím souvisejí velké obtíže při pozemních testech funkčnosti před startem, obr. 4 nám ukazuje pohled na provedení přístroje MAC-03 bez vnějšího obalu. JAK TENTO MIKROAKCELEROMETR MĚŘÍ NA PALUBĚ SATELITU? Mikroakcelerometr musí být s vysokou přesností umístěn v těžišti satelitu, aby na něj nepůsobily gravitační síly samotného satelitu a dále odstředivá síla, vyvolaná i nepatrnou rotací satelitu. Celý přístroj a tím i měrná dutina jsou pevně spojeny s konstrukcí satelitu. Na satelit během jeho letu působí vnější síly, vyvolané aerodynamických odporem zbytků atmosféry, přímým i od Země odraženým slunečním zářením, tepelným vyzařováním Země a některé velmi malé další. Vlivem těchto sil dochází k poklesu satelitu. Bez působení těchto sil by se satelit pohyboval po dráze určené pouze gravitačním polem Země. Seismická krychlička, která se vznáší uvnitř čidla je celým satelitem i samotnou konstrukcí mikroakcelerometru izolována od působení těchto vnějších sil a bez působení polohových řídících obvodů by se pohybovala pouze podle gravitačního zákona. Aby polohové řídící obvody udržely krychličku dlouhodobě uprostřed dutiny, musí kompenzovat rozdíl pohybů mezi satelitem a vnitřní seismickou krychličkou. Protože dráhy seismické krychličky i satelitu vyvolané gravitačními silami jsou totožné, musí polohové řídící obvody kompenzovat pokles satelitu vyvolaný úhrnem všech negravitačních sil, které na něho působí. Jestliže tedy měříme řídící napětí translačních a rotačních řídících obvodů mikroakcelerometru, které je přímo úměrná silám, které udržují seismickou krychličku uprostřed dutiny čidla, můžeme při znalosti dalších fyzikálních parametrů čidla, jako je hmotnost krychličky, kapacita elektrod, atd., určit vektor úhrnu negravitačních sil, které působí na celý satelit. DALŠÍ PERSPEKTIVY VYUŽITÍ MIKROAKCELEROMETRU. S rozvojem kosmonautiky a kosmické technologie se objevují další perspektivy aplikace mikroakcelerometrů. Např. při tuhnutí slitin látek o rozdílné hustotě v podmínkách beztíže se ukázalo, že některé pokusy dávaly uspokojivé výsledky a jiné dávaly výsledky podstatně horší. Při analýze příčin problémů se ukázalo, že i tak zvaný stav bez tíže nelze považovat vždy za srovnatelný, že i velmi nepatrná zrychlení, způsobená zbytky atmosféry a dalšími vlivy, mohou výsledky těchto pokusů významně ovlivnit. Je tedy nutné během tuhnutí slitin nepatrná zrychlení satelitů měřit a případně aktivně kompenzovat tkzv. drag-free systémy. Další významnou a perspektivní oblastí využití mikroakcelerometrů je možnost sestavení tak zvaných gradiometrů ze šesti nebo více mikroakcelerometrů. Pro toto využití je třeba ještě zvýšit rozlišovací schopnost mikroakcelerometrů z dnešních řádově 10-10 ms-2 asi o tři řády, tedy na cca 10-13 ms-2. Tyto gradiometry nám na rozdíl od samotného mikroakcelerometru umožní měřit i gradient gravitačního pole a tím nahlédnout do nitra Země nebo studovat procesy transportu hmot (vody, ovzduší atd.) na naší planetě. Z příkladů je vidět, že mikroakcelerometr je velmi perspektivním přístrojem, jímž bude vybaveno v budoucnu daleko větší množství satelitů. V současné době se ceny přístrojů pohybují velmi hrubým odhadem asi okolo 10 mil. Kč za kus, což při hmotnosti okolo 5 kg je jistě velmi zajímavá kilogramová cena, svědčící o technologické vyspělosti přístroje. Také konkurence ve světě není zatím veliká, protože mikroakcelerometry, kromě ČR je schopná vyrobit zatím pouze Francie a USA, ale jejich parametry (měřící rozsah, citlivost v různých osách, celková hmotnost přístroje) jsou poněkud odlišné. PROJEKT TEASER VZLÚ se podařilo získat od MPO podporu na další vývoj mikroakcelerometru v rámci projektu Teaser. Projekt je zaměřen na vývoj nového modelu mikroakcelerometru a jeho technologický let na palubě ruského minisatelitu. Tento projekt může přinést velmi cenné informace a technologické zkušenosti. Měl by otestovat funkčnost nově vyvinutých aretačních mechanismů a dále má prověřit funkčnost nejnovějších elektronických součástek v podmínkách reálného kosmického letu. Takovou možnost máme v naší republice velmi zřídka a je neocenitelná pro potřeby vývoje špičkových elektronických obvodů pro kosmické prostředí. Projekt Teaser nám také umožní prověřit procedury a funkčnost nových testovacích kapacit pro kosmickou techniku ve VZLÚ na reálném kosmickém přístroji. Z hlediska vědeckého bychom získali při dobré funkci přístroje na oběžné dráze vědecká data, srovnatelná s těmi, která měl poskytnout satelit MIMOSA. Tato data by umožnila studium dynamiky horních vrstev atmosféry a přispěla by ke zdokonalení modelu atmosféry TD88, jehož tvůrcem je dr. Sehnal z AsÚ AV ČR v Ondřejově. Tento model patří k nejlepším a nejpoužívanějším modelům atmosféry na světě. Z hlediska průmyslového výzkumu bychom prověřili celý technologický řetězec vývoje a výroby kosmického přístroje dle norem kvality ESA. Velmi důležitý je i poslední aspekt. V případě úspěšného řešení projektu bychom zásadně zvýšili prestiž našeho přístroje a také VZLÚ jako instituce, která je schopná sama realizovat a testovat složité kosmické přístroje. ING. VIKTOR FEDOSSOV ING. MILAN CHVOJKA