Červení (nebo též rudí) skřítci — tak se říká nadoblačným bleskům, které v srpnu zachytil český fotograf Daniel Ščerba, jenž za ně získal od NASA prestižní ocenění Astronomický snímek dne. Monitoring červených skřítků má ale ještě jednu českou stopu, tento nezvyklý atmosférický úkaz totiž sleduje z oběžné dráhy observatoř ASIM (Atmosphere-Space Interactions Monitor) v rámci Evropské vesmírné laboratoře na ISS, modulu Columbus. A součástí vědeckých instrumentů ASIM jsou i datové jednotky, na jejichž návrhu se podílela Jana Mulačová, která v současnosti pracuje jako manažerka bezpečnosti a kvality produktu v Evropském středisku vesmírných operací (ESOC).
Observatoř ASIM pracuje ve vesmíru již více než čtyři roky a po celou dobu na ní fungují dva velmi zajímavé vědecké instrumenty. Tím prvním je čistě optický přístroj MMIA (Modular Multi- Imaging Assembly), který má několik fotometrů a kamer, s nimiž je schopen nepřetržitě pozorovat při frekvenci 12 snímků za sekundu pomalu ubíhající zemský povrch v několika rozsazích viditelného spektra. Druhým je pak MXGS (Modular X- and Gamma-ray Sensor), jenž se stará, jak z názvu vyplývá, o zaznamenávání rentgenového a gama záření. A oba dohromady mají za úkol monitorovat a ve vzájemné synchronizaci zaznamenávat specifické a gigantickým medúzám či chobotnicím podobné výboje vznikající ve vyšší atmosféře.
„Cílem je všeobecné studium těchto zvláštních výbojů, jimž se anglicky říká skřítkové a elfové, protože o nich zatím víme vlastně jen velmi málo. A není to ani tak dávno, co byly dokonce informace od astronautů o jejich existenci přisuzovány halucinacím či falešným vizuálním vjemům, způsobeným dopadem vesmírného záření na oční sítnici,“ vysvětluje smysl pozorování Jana Mulačová s tím, že ASIM také obsluhují dvě funkční platformy CEPA (Columbus External Payload Adapter) a DHPU (Data Handling and Power Unit), jež mají za úkol zajistit, aby jakékoli selhání dvou vědeckých jednotek nedopadlo na samotný modul Columbus. Tedy i kdyby se ASIM doslova zbláznil či zkratoval, ISS zůstane v bezpečí.
ROKY VÝVOJE A STOHY POPSANÝCH PAPÍRŮ STÁLE NESOU OVOCE
Oba vědecké instrumenty v sobě mají datové jednotky DPU (Data Processing Unit), které jsou hardwarově identické a liší se pouze softwarem. Jsou založeny na technologii programovatelného hradlového pole (FPGA — Field Programmable Gate Array) Virtex-5, na němž je nainstalován procesor Leon3 [32bitový procesor s implementovanou architekturou instrukční sady SPARC V8, odolný vůči záření — pozn. red.]. Hardwarové řešení předběžného vyhodnocování dat je zde klíčem k rychlosti třídění obrovských objemů generovaných dat na ta, která jednotka ukládá k odeslaní vědcům, a na ta, která se prostě přepisují.
Jana Mulačová na vývoji pracovala od roku 2008 do roku 2015 a míní, že největší část práce na vesmírných projektech není samotné bádání a konstruování, ale sepisování dokumentace. „V té době jsem pracovala v Dánsku pro DTU Space, vědeckou instituci, která vedla vývojové konsorcium. Jakožto vědecký tým, v němž s námi byl mimochodem jednu chvíli i další Čech, tehdejší student FEL ČVUT Jan Svoboda, jsme nejprve museli napsat požadavky na daný instrument a definovat, jak chceme, aby fungoval. Takže jsem například programovala v MatLabu generátor falešných snímků, které by měly spustit mechanismus ukládaní, a pak ještě slovy sepisovala požadavky na softwarový nástroj, který by na tyto snímky reagoval právě ukládáním dat.“
K těmto časově nesmírně nákladným dokumentačním záležitostem doplňuje, že projekty ESA jsou natolik komplexní, že se v předběžné fázi může stát, že je agentura jako zadavatel vezme a zadá je jiné instituci, nabízející řešení za lepší cenu či lépe splňující kritéria technické vyzrálosti k projektu.
„Nicméně nakonec jsme jako konsorcium zakázku úspěšně získali a začali ihned pracovat na tvorbě návrhů rozhraní a také spustili programování kódu pro hradlové pole.“
V průběhu vývoje samozřejmě vznikaly počítačové simulace návrhů in-strumentů i datových jednotek z hlediska mechanického i elektronického a také se stavěly fyzické prototypy prokazující funkčnost návrhu, jakož i modely mechanického šasi, elektrických a elektronických součástí, které se navíc testovaly na odolnost vůči všemu — od elektromagnetického rušení přes vakuum, prudké změny teplot a vesmírnou radiaci až po vibrace či nárazy.
„Dnes by nám určitě pro některé části jednotky pomohly aditivní technologie, jenomže tenkrát byl 3D tisk v plenkách, takže jsme jej prakticky nevyužívali. Nejvíce jsme tedy pracovali s editory dokumentů, výkresů a tabulek.“
Po letech strávených na vývoji těchto jednotek však tato nadaná Češka přešla ještě v průběhu práce na pozici manažera pro zajištění produktu, a tak se místo konstruování najednou musela prokousávat věcmi, jako je kvalifikace subdodavatelů k výrobě částí instrumentu, požadavky GPQ-010, což je dedikovaný standard pro ISS, a také nekonečnými seznamy veškerých využitých materiálů a mechanických, elektrických i elektronických součástek. A dokonce i veškerými procesy zpracování.
Právě finanční, časová i formální náročnost kvalifikace nových technologií je důvodem, proč v tradičním vesmírném bádání vidíme běžné technologie o nějakých 10—15 let opožděně za vývojovou špičkou. Všechno musí být bezpečné, spolehlivé, prověřené a vyzkoušené, protože v sázce jsou miliony eur a lidské životy. Tuto tradiční filosofii teď ale mění různé mikro- a nanosatelity, které razí spíše přístup „rychle nabyl, rychle pozbyl“.
Zařízení ASIM vědecký tým v čele mezinárodního konsorcia nakonec úspěšně dokončil, ESA jej vyslala do vesmíru, díky čemuž mohlo začít pozorování, snímkování a odesílání relevantních dat o skřítcích a elfech. Překvapivé je, že observatoř měla na ISS Columbus pracovat pouze dva roky, nakonec na svém „VIP“ místě odsloužila roky čtyři. Na začátku toho letošního však došlo k jejímu přesunutí na jinou část modulu Columbus a jeho místo zaujal nový experiment NASA. Oblohu proto teď observatoř zaměřuje pod jiným úhlem a nabízí tak novou perspektivu, což může být paradoxně i ku prospěchu.
„Když se na svou práci v Dánsku dívám zpětně, myslím si, že využití takovéto techniky nebylo sice až tak inovativní, ale my jsme jí jednoznačně dokázali dát něco navíc. A to inteligenci a rychlost přebírání dat, ke které jsme využili kombinaci programovatelných hradlových polí a na nich nainstalovaného softwaru.“
ESOC JE JAKO VELKÉ MRAVENIŠTĚ, Z NĚJŽ SE OŽIVUJÍ SATELITY I SONDY
Ani po odchodu z dánského DTU se Jana Mulačová s vesmírnými projekty nerozloučila. Po krátkém působení v Česku začala spolupracovat s ESOC v německém Darmstadtu, odkud se řídí planetární, astronomické i observační mise. Náplní její práce je mimo jiné starost o to, aby se ESA byla schopná poučit z chyb a měla úspěšné projekty i zařízení. A také úspěšně předávala vědecká data. Na starosti má teď například již 30 let trvající misi Mars Express [zkráceně MEX — planetární sonda určená ke studiu planety Mars z oběžné dráhy okolo ní — pozn. red.], dále BepiColombo [společná mise ESA a japonské vesmírné agentury JAXA k planetě Merkur — pozn. red.], Gaia [vesmírná astrometrická observatoř ESA, jejímž hlavním posláním je sestavit třírozměrnou mapu nejbližšího okolí v naší galaxii — měla by zpřesnit polohu přibližně miliardy hvězd — pozn. red.] či CryoSat-2 [věnuje se měření tloušťky polárního mořského ledu a sledování změn v ledových příkrovech — pozn. red.]. Spolu s ní ve středisku pracují stovky dalších lidí a každý z nich má v centru svou nepostradatelnou funkci. Například tým Flight Dynamics se stará o orbitální dynamiku a má na starosti i obrovské sady knihoven, které obsahují informace o kosmickém smetí. Součástí jeho práce je pak i řešení a propočet konkrétních variant, jak dostat plavidlo na cílovou orbitu. Další tým, Ground Operations, zodpovídá za pozemní sektor, jenž zahrnuje pozemní stanice rozmístěné po celé planetě, v blízkosti pólů či rovníku, podle typu orbity a mise. Ve středu dění je Flight Control, skupina specialistů na jednotlivé subsystémy sondy, ke kterému patří i specialista na zajištění bezpečnosti a kvality produktu. Další významnou roli plní členové týmu Spacecraft controller zvaní SpaConi, kteří na základě instrukcí a procedur od kvalifikovaných pracovníků de facto oživují odstartované satelity a pak s nimi dnem i nocí udržují kontakt.
První snímek Slunce sondy Solar Orbiter ESA, pořízený EUV (extreme ultraviolet imager) s vysokým rozlišením dne 30. května 2020 © Solar Orbiter/tým EUI/ ESA a NASA; CSL, IAS, MPS, PMOD/WRC, ROB, UCL/MSSL
V řídicím centru také sedí mnoho různých vedoucích, zodpovědných za své týmy a při startech také zástupci dodavatele plavidla. „ESA sama totiž nic nevyrábí, vždy zadává zakázku námi ověřeným a kvalifikovaným firmám ve vesmírném průmyslu napříč Evropou. Máme ohromné know-how, které je naší výhodou, a toto know-how pak externí firmy přetavují do funkčních zařízení. Cílem agentury je mimo jiné úplné předání tohoto know-how průmyslu členských zemí tak, aby Evropa v dané oblasti přestala být na ESA závislá.“
A v neposlední řadě jsou součástí toho obřího týmu každé mise i lidé zodpovědní za IT. V řídicím centru totiž pracuje i mnoho speciálních systémů, které zpracovávají data a zároveň dokážou v reálném čase posílat příkazy plavidlu. A všichni tito lidé před startem každé mise absolvují pod dozorem zkušeného „Flight Directora“ měsíc až dva série simulací, při nichž testují veškeré systémy, učí se postupovat podle procedur, hodnotí, co se podařilo a co je třeba udělat jinak.
„Máme nominální simulace, kde se učíme, jak mají start i následné kroky vypadat správně, a pak máme kritické simulace, kde se předstírají nejrůznější selhání. Tam pak vstupuji já jako učitel a začínám týmy seznamovat s tím, jak mají na chybu reagovat v krátkém čase mezi přelety,“ říká dále Jana Mulačová.
Když pak přijde konečně čas kritických operací, což znamená ostrý start, všechno se na sondě i stanicích ještě znovu otestuje během takzvané Dress rehearsal, a poté již nosič se satelitem či sondou vyrazí na svou pouť do vesmíru. V hollywoodských filmech v tento okamžik v celém řídicím centru propuknou bujaré oslavy a mise je hotová, avšak ve skutečnosti tomu tak není.
„Pokud jde o nějakou důležitou misi, tak samozřejmě k oslavě dojde, například po úspěšném zachycení prvního signálu mise BepiColombo africkou stanicí Malindi se oslav účastnil i vnuk Giuseppeho (Bepiho) Colomba, legendárního matematika, jenž dal misi prvotní myšlenku proveditelné trajektorie, a posléze i své jméno. Ale jinak většině lidí v centru začíná další velký kus práce, protože musí plavidlo prakticky ručně uvést do funkčního režimu.“
Zní to možná překvapivě, ale i u tak technologicky vyspělých zařízení, jakými jsou satelity či sondy, se v počátku na automatiku příliš nespoléhá. „U malých satelitů se dá většina věcí, které se mají stát po startu, naprogramovat, ale u těch větších musíme téměř vše spouštět manuálně, protože se nám nechce riskovat, že dojde například k selhání časování, nebo že bude sonda na suboptimální orbitě a spustí sama procesy, které by ji mohly fatálně poškodit, či dokonce navést zpět k Zemi.“
Proto je vše ve chvíli, kdy se zařízení oddělí ze špice rakety a je vysvobozeno z kapsle fairingu, nastaveno do safe módu (podobně třeba jako počítač v nouzovém režimu), kdy fungují pouze základní systémy. A teprve lidé z řídicího centra na Zemi začnou jednotlivé funkce postupně, podle předem přesně stanoveného a vyzkoušeného postupu spouštět. Například vytápění, vše je totiž studené a některé systémy se nedají spustit dříve, než bude uvnitř sondy přijatelná operační teplota. Zároveň je ihned potřeba rozbalit solární pole. Bez tohoto kroku by nemělo plavidlo energii na pokračování v ničem.
„Musíme také zprovoznit hlavní anténu, protože do té doby veškerá komunikace probíhá jen na malé anténě a počítač pracuje na nízkém datovém toku. Jakmile se sonda začne vzdalovat, už by to pro komunikaci, natož přenos dat, nestačilo. Z počátku mise je tedy sonda jakoby na vodítku, které se postupně uvolňuje, a její autonomie se zvyšuje, protože čím větší je vzdálenost od Země, tím větší zpoždění je mezi zadáním a provedením příkazu.“
Za ty roky práce v ESOC viděla Jana Mulačová startovat hodně misí a téměř všechny se úspěšně, bez jediné nepřesnosti dostaly na kýženou orbitu. Ovšem jedna mise skončila špatně, protože dosažená orbita byla natolik suboptimální, že se satelity Seosat a Taranis „vrátily na zem“, čímž projekt skončil. „To byl hodně těžký okamžik, protože po těch měsících příprav jsme seděli v řídicí místnosti, viděli jsme, co se děje, a nemohli nic udělat. Satelity se pořád vzdalovaly od optimální orbity a nakonec shořely v atmosféře, než jsme s nimi vůbec mohli navázat kontakt. Šlo o závadu nosiče, kterou jsme nebyli schopni z řídicího centra vyřešit, protože nosič byl, jak je obvyklé, řízen odjinud,“ vzpomíná a na závěr dodává, že právě v tom vlastně spočívá její práce.
„Já a moji kolegové v zajišťování produktu jsme v oboru zaměstnáni proto, aby se takové věci nemohly stát, nebo alespoň ne opakovaně. V centru řízení nosiče je někdo přesně jako já, kdo se teď stará o to, aby se to příště povedlo bez chyby. Anebo aby se to alespoň nepovedlo ze zcela jiných důvodů.“