Přistání na Saturnově měsíci Titan aneb Triumf jménem Huygens

Psal se rok 1975 a americký Národní výzkumný výbor doporučil jako jeden z příštích cílů kosmického programu sondu pro dlouhodobý průzkum Saturnu. Nezávisle na tom začalo Amesovo středisko NASA v Kalifornii společně s firmou Martin Marietta Corporation rozpracovávat misi na Saturnův měsíc Titan. Pozemská pozorování naznačovala, že by mohl druhý největší přirozený satelit ve Sluneční soustavě představovat extrémně zajímavé těleso, s hojným výskytem metanu a pravděpodobně také uhlohydrátů v atmosféře. Přesně tak přitom kdysi dávno nejspíš vypadala i Země. 

Celá výsadková mise však měla jeden zásadní háček: o Titanu jsme prakticky nic nevěděli. Inženýři se proto shodli, že by sonda disponovala padáky i raketovými motory a teprve na místě by se rozhodla, co a v jakém okamžiku použije. Francouzský vědec Jacques Blamont zase navrhoval méně riskantní řešení: v roce 1978 vypracoval studii balonové sondy, jež by s sebou vezla okysličovadlo a přímo z atmosféry měsíce by čerpala metan, který by následně spalovala. NASA pak zvažovala misi podobnou marsovským sondám Viking a později rozpracovala jistou obdobu dnešního programu Discovery – projekt Purple Pigeon, jenž počítal s celou řadou malých jednoduchých průzkumníků pro různé cíle ve Sluneční soustavě.

Rozdělení rolí

Po průletu obou Voyagerů kolem Saturnu v listopadu 1980, respektive v srpnu 1981 jsme nebyli o moc moudřejší. Snímky Titanu byly rozmazané (halila jej hustá oblačnost), a začalo se proto zvažovat vyslání dedikované sondy vybavené výkonným radarem. Počátkem 80. let projevila o projekt zájem Evropa: Francie chtěla reagovat na americko-německou sondu Galileo a výsadkový modul k Jupiteru, jenže pracovala na mnoha projektech, a tak byla přizvána ESA.

Podle první dohody měla evropská agentura vyrobit družicovou část a NASA přistávací zařízení. Jakmile ovšem začal americký úřad misi k Saturnu a Titanu podrobně studovat, dobral se jiného řešení – využití záložního exempláře sondy Galileo, která měla i konstrukci na uchycení výsadkového modulu. Role se tak obrátily: NASA chtěla dodat družicovou sekci a ESA si měla vybrat – buď výsadkový modul, nebo nic. 

Evropa měla s Amerikou z předchozích let jen ty nejhorší zkušenosti: ESA jednak finančně krvácela na projektu americké laboratoře Spacelab a jednak NASA zrušila svůj podíl na misi ISPM neboli International Solar Polar Mission. Evropané proto rozebírali další možnosti, jako například expedici k planetce Vesta nebo sondu CAESAR čili Comet Atmosphere Encounter and Sample Return pro odběr vzorků z kometárního ohonu. Nakonec však evropská agentura se zaťatými zuby přistoupila na stavbu výsadkového modulu pro Titan. Mimochodem, krátce nato NASA opustila záměr využít hardware z programu Galileo a přiklonila se k nově vyvíjené sondě Mariner Mark II. Padl tak hlavní důvod, proč dostala ESA na starost výsadkový modul – už jí však zůstal.

Přežije dinosaurus?

V roce 1987 dala americká kosmická agentura celému programu budoucí sondy Cassini zelenou. Počítalo se se startem v květnu 1994 na palubě raketoplánu a s příletem k cíli o osm let později. ESA měla dodat výsadkový modul na baterie, který zamíří do atmosféry Titanu. Po počátečním brzdění by zhruba tři hodiny klesal a dopadl by rychlostí 4 m/s. Baterie měly vystačit i pro práci na měsíci. Jenže nikdo nevěděl, jak povrch tělesa vypadá, a počítalo se s možností, že jej pokrývá moře. Modul proto vznikal tak, aby se alespoň několik minut udržel na hladině.

ESA s tímto konceptem v roce 1988 souhlasila a program přijala v době, kdy na něj Kongres USA pro NASA ještě neuvolnil prostředky (došlo k tomu až koncem následujícího roku). Výraznou změnu představoval přesun na raketu Titan 4, přičemž pro vypuštění se otevírala startovací okna v prosinci 1995, dubnu 1996 a listopadu 1997. Počítalo se s využitím prostředního z nich, jenže v roce 1991 se sonda Cassini dostala do finančních potíží. NASA totiž chystala prakticky identickou dvojici vesmírných průzkumníků a Kongres trval na tom, že jeden se musí zrušit. Americká vědecká obec stála za sondou CRAF neboli Comet Rendezvous, Asteroid Flyby, ale přežila právě Cassini. Přesto dostala méně peněz a start se posunul na rok 1997.

Aby projektový tým ušetřil, škrtnul kromě jiného dvě pohyblivé plošiny, které měly nést i anténu pro zaměření přistávajícího modulu. Projektu nepřál ani nový administrátor NASA Daniel Goldin, jenž prosazoval zcela jinou koncepci průzkumu. Sázel na model „rychleji, lépe, levněji“, který počítal s flotilou menších misí do rozmanitých koutů Sluneční soustavy, a Cassini označil za „dinosaura“ odsouzeného k vyhynutí. Opět se redukoval rozpočet a opět hrozilo ukončení programu. Tentokrát se Evropa důrazně ozvala s tím, že pokud NASA znovu smete společný projekt ze stolu, přestane se podílet na Mezinárodní vesmírné stanici. Roli spasitele na sebe vzala Itálie: ujala se části nákladů a zodpovědnosti za antény, většinu radiokomunikace, polovinu mapovacího radaru a některé přístroje.

Mistrovské dílo Evropy

Postavit výsadkovou část – mezitím pojmenovanou Huygens – dostala za úkol firma Aérospatiale v Cannes. Modul vážil 320 kg a dalších 30 kg připadalo na podpůrné systémy na Cassini. Celkem 79 kg zaujímal tepelný štít o průměru 2,7 m, jenž mimochodem využíval technologie ze zrušeného raketoplánu Hermes. Huygens nesl šest přístrojů o hmotnosti 48 kg, které měly 39 senzorů. Při vývoji bylo nutné vyřešit celou řadu otazníků, například podíl argonu v atmosféře Titanu: nedal se stanovit spektroskopicky ze Země, nicméně mohl mít výrazný vliv na hypersonickou aerodynamiku a tepelnou rozvahu během přistání. Původní předpoklad zněl 21 %, později 6 % a nakonec se ukázalo, že jde jen o stopový prvek.

Startovací okno se otevíralo od 6. října do 4. listopadu 1997. Teoreticky bylo možné uskutečnit start ještě od druhé poloviny listopadu 1997 do ledna 1998 a pak v březnu/dubnu 1999, v tom případě by však sonda dorazila k Saturnu až v roce 2009. Původně se počítalo s příletem k planetě v prosinci 2005, ale NASA vyjednala s armádou přidělení silnější rakety Titan 4B, takže nové datum znělo červenec 2004. V roce 1993 ovšem zmíněný nosič havaroval a kosmická agentura zvažovala přesun Cassini na raketoplán, přesněji na dvojici raketoplánů – jeden by vynesl vlastní sondu a druhý urychlovací stupeň, načež by oba komponenty spojili astronauti při výstupu do otevřeného prostoru. Nakonec ovšem přece jen zvítězil Titan 4B.

Nepříjemné překvapení

Jen několik dní před startem došlo k poškození modulu – klimatizace omylem zapnutá na příliš velký výkon potrhala tepelnou izolaci. Huygens se musel demontovat, rozebrat a vyčistit, načež se jednotlivé kousky izolace poskládaly jako puzzle, aby se zjistilo, zda se neztratil byť sebemenší úlomek. Start se tak nakonec uskutečnil až 15. října 1997. 

Nepříjemné překvapení se objevilo v únoru 2000, kdy se testovala komunikace mezi modulem a samotnou Cassini, která měla sloužit jako retranslační stanice. Přijímač na sondě byl nastaven na velmi úzké pásmo, jež ovšem nepočítalo s Dopplerovým efektem. Původně totiž měla komunikaci zprostředkovávat jiná anténa, z úsporných důvodů však z mise zmizela, zatímco její úzké pásmo v projektu zůstalo. Rok a půl technici řešili, jak problém eliminovat. Nakonec se přepracoval scénář přistání, v němž se původně počítalo s odhozem modulu v listopadu 2004 a s přistáním v prosinci téhož roku. Dosednutí na povrch se tedy odložilo o měsíc, aby měly stanice při přistávání co nejmenší vzájemnou rychlost.

Finální zteč

Prvního července 2004 se na 96 minut a 24 sekund zažehl hlavní motor sondy: spotřeboval přitom 830 kg paliva a snížil její rychlost o 622 m/s, aby se mohla stát umělou družicí Saturnu. Šestnáctého prosince byla Cassini navedena na kolizní kurz s Titanem a o devět dní později pružiny uvolnily Huygens a udělily mu rychlost 33 cm/s. Patnáctého ledna 2005 zaznamenaly akcelerometry ve vzdálenosti 1 500 km od povrchu měsíce první kontakt. Ve výšce 1 270 km měl modul rychlost 6 km/s, začal prudce brzdit a během 4,5 minuty zpomalil na 400 m/s. Maximální přetížení dosáhlo 13 G a tepelný štít se rozpálil na 1 700 °C.

Ve výšce 155 km vystřelil Huygens výtažný padák o průměru 2,6 m, poté hlavní padák o průměru 8,3 m a nakonec odhodil tepelný štít. Kromě Cassini zachytil jeho signál i radioteleskop u Green Bank: nebylo sice možné zjistit obsah zprávy, ale kritickou fázi průletu atmosférou modul prokazatelně zvládl. Průzkumník pak postupně klesal, načež došlo k jedné z největších komplikací při sestupu. Když Huygens opouštěl mateřskou sondu, měl kvůli stabilizaci rotaci 7,5 otáčky za minutu a udržel si ji až do okamžiku vstupu do atmosféry. Poté zmíněná hodnota klesala, a deset minut po dosažení atmosféry se rotace dokonce zastavila – jenže působení negativní síly pokračovalo. Při dosednutí na povrch tak modul rotoval rychlostí deset otáček za minutu, ale v opačném směru! Při žádné pozemní simulaci se však nic podobného vyvolat nepodařilo.

Sestup atmosférou trval 2 hodiny a 42 minut. Huygens přečkal i kontakt s lunárním povrchem a Cassini jeho vysílání sledovala ještě 1 hodinu a 12 minut, načež zmizela za horizontem. Zvláštní je, že pozemské radiostanice detekovaly signály z povrchu Titanu 3 hodiny a 13 minut – a extrapolace ukázala, že baterie vystačily ještě nejméně na 17–20 dalších minut.

Ztracená data

Kvůli technické chybě došlo bohužel ke ztrátě podstatné části dat z přistání. V řídicím programu neproběhl příkaz k zapnutí ultrastabilního oscilátoru na kanálu A, který tvořil jednu ze dvou komunikačních linek. Technici přitom už před přistáním řešili, jak obě linky využít: zda každou pro jiná data, čímž by se množství získaných informací zdvojnásobilo, nebo ke vzájemnému zálohování. 

Nakonec zvítězil kompromis: některá data se jako kritická posílala oběma linkami, ale například snímky se mezi ně dělily. Tentokrát však vědcům štěstí přálo: sestup modulu sledovalo osmnáct pozemských radioteleskopů, tudíž bylo možné data dopočítat. Například proudění větru na Titanu se tak podařilo stanovit s přesností na 1 m/s, což vzhledem k nejsilnější naměřené hodnotě – 120 m/s – představovalo solidní úspěch.