Sonda Giotto: První evropská meziplanetární sonda na průzkumu Halleovy komety

Ačkoliv dnes dokážeme hodnověrně dopočítat dráhu Halleyovy komety (označované též 1P/Halley) až do roku 1404 př. n. l., ani pečliví egyptští astronomové nám o proslulé vlasatici nezanechali žádné záznamy. První zmínka pochází z roku 240 př. n. l. z Číny, dřívější jsou pak ze starověkého Řecka – v těchto případech však není jisté, zda šlo skutečně o Halleyovu kometu.

Vlasatici se poté podařilo sledovat ještě mnohokrát a lidé ji často vnímali jako varování před neblahými událostmi. Až astronom Edmond Halley (1656–1742) v roce 1705 předpověděl, že objekt pozorovaný v letech 1456, 1531, 1607 a 1682 je jeden a tentýž – a že se k Zemi vrátí v roce 1758. Trefil se, a kometa dostala jeho jméno. Je třeba uvést, že Halley hledal spojitost mezi více historickými pozorováními vlasatic, ale kvůli nepřesnosti měření nebo pro neúplnost zdrojů mu v jiných případech odhad nevyšel. Nicméně u komety, jejíhož návratu k Zemi se nakonec nedožil, byla „trefa“ stoprocentní.

Když se pak 1P/Halley přibližovala v roce 1986 ke Slunci naposledy, mohli jsme ji premiérově zkoumat pomocí automatických sond.

Evropské kořeny v USA

První stopy evropské mise k Halleyově kometě lze nalézt v roce 1973 na půdě European Space Research Organisation (ESRO) – předchůdkyně dnešní European Space Agency (ESA) –, která vypracovala studii na výrobu vlastní výzkumné sondy a právě expedici k populární vlasatici použila jako referenční. Mnohem víc ovšem evropské výpravě paradoxně pomohly Spojené státy. 

S prvotním záměrem vyslat automat k Halleyově kometě přišla už v roce 1967 Lockheed Missiles and Space Company: navrhovala jej nasměrovat na stejnou dráhu, jakou má kometa, a následně se s ním k cílovému tělesu postupně přibližovat. Šlo ovšem o pouhý nápad, nikoliv o reálně rozpracovávaný projekt.

Jen o několik let později představila NASA vlastní program, který počítal se startem v roce 1977 nebo 1978, a to na obří raketě Saturn V vybavené horním čtvrtým stupněm Centaur. Mise ovšem představovala technickou výzvu: Pokud by využívala jako zdroj energie solární baterie, musely by pracovat sedm let ve velké vzdálenosti od Slunce. Kdyby použila iontové motory, bylo by možné zkrátit dobu letu na tři roky – musel by se však vyvinout skutečný atomový reaktor, nikoliv pouze radioizotopový generátor, jaký měly například Pioneer 10 a 11 nebo Voyager 1 a 2. NASA expedici nakonec zavrhla, mimo jiné kvůli nedostupnosti Saturnu V – poslední exemplář totiž odstartoval v květnu 1973 a vzhledem k přebudování kosmodromu pro raketoplány nebylo možné zbývající dva nosiče vypustit.

Mnohem zajímavěji se jevil projekt sluneční plachetnice, která by zamířila do vesmíru v roce 1981 či 1982 na palubě raketoplánu. V roce 1976 ji dokonce NASA zařadila do svého rozpočtu a přidělila jí částku 5,5 milionu dolarů. Jenže už o rok později program skončil, protože celkové odhadované náklady 500 milionů dolarů byly na tehdejší poměry příliš vysoké.

Vědci se nicméně snu o cestě k 1P/Halley nevzdali, a tak se zrodil projekt International Comet Mission (ICM). Třítunová sonda se měla primárně zaměřit na vlasatici Tempel 2, ovšem kolem Halleyovy komety by proletěla a vysadila by tam menší průzkumný modul – a právě ten měla dodat ESA. Zařízení o hmotnosti 150–250 kg by fungovalo jen na baterie, protože se nepředpokládalo, že přežije přiblížení. Zatímco mateřská sonda měla jádro komety minout o 130 000 km, u modulu se počítalo s pouhými 1 500 km. Start na palubě raketoplánu se plánoval v rámci desetidenního okna na konci července 1985. Jenže v roce 1979 neobdržel projekt žádné peníze: NASA totiž požádala Kongres o finance na několik meziplanetárních automatů naráz, a na všechny se zkrátka nedostalo.

Vlastními silami

Úkol pro ESA zkonstruovat modul k těsnému průletu kolem kometárního jádra ovšem žil dál – bez ohledu na odstoupení Spojených států od projektu. Giuseppe Colombo z italské Università degli Studi di Padova proto vypracoval dvojici projektů HAPPEN neboli HAlley Post Perihelion ENcounter: V prvním případě šlo o sondu, která měla nejprve dva roky studovat zemskou magnetosféru, načež by se vydala ke kometě. Ve druhém případě se jednalo o flotilu tří zařízení letících přímo k cíli.

ESA v lednu 1980 realizaci projektů zvažovala, ale nakonec ji zamítla kvůli malému vědeckému přínosu. Profesor Colombo se ovšem nevzdal a přišel s přepracovanou verzí, přičemž změnil i název – z HAPPEN na Giotto. A 8. července 1980 vědecký výbor ESA modifikovanou misi přijal. Zajímavé je, že proti byl největší přispěvatel do rozpočtu agentury – Francie. Zástupci země galského kohouta měli námitky technického charakteru, nicméně se zjevně jednalo o politiku: nejvýznamnější hráč ESA nelibě nesl, že první meziplanetární expedici evropské agentury předložila „konkurenční“ Itálie.

NASA se o misi Giotto začala zajímat také, protože se ukázalo, že už nedokáže připravit vlastní průzkumný automat k Halleyově kometě. Americká agentura mimo jiné nabídla raketu Delta pro vynesení stroje, ESA však odmítla. Vědecká obec v USA totiž projekt průletové sondy dlouhodobě kritizovala jako málo přínosný a evropská agentura se obávala, že by se tak nakonec mohla spolupráce zhatit. Jinými slovy: Evropa se rozhodla uskutečnit ambiciózní misi vlastními silami. Spojené státy ovšem přispěly některými přístroji a kapacitou své komunikační sítě DNS.

Obrněný průzkumník

Nezbývalo mnoho času a rozpočet byl silně napjatý, proto firma British Aerospace vytvořila sondu Giotto na osvědčené konstrukci družice GEOS: měla tvar válce, nenesla žádné výklopné přístrojové tyče ani antény a byla stabilizována rotací – po startu rychlostí 90 otáček za minutu, později 15.

Na horní ze tří plošin se nacházela parabolická anténa o průměru 1,47 m, pevně skloněná 44,3° od osy, přičemž se otáčela proti rotaci sondy, ale stále směřovala na jedno místo – k Zemi. Šlo o zvláštnost mise: Automat vznikal pro průlet kolem komety v určitém okamžiku a v konkrétním místě. Pokud by se uvedené parametry změnily, byl by fakticky nepoužitelný.

Střední plošina nesla avioniku a čtyři nádrže hydrazinu pro manévrovací motory, dolní pak vědecké vybavení. Pod ní se nacházel ještě Whippleův štít, který měl průzkumníka chránit před střety s kometárním prachem. Jeho princip přitom vymyslel Fred Whipple z Harvard College Observatory už v roce 1946: Štít předsunutý několik centimetrů před hlavní plášť měl kosmické lodě na cestě k planetám ochránit před mikrometeority. Malé těleso, které by jej zasáhlo, by se roztříštilo a vypařilo. Větší by sice prošla, ale kolize s nimi jsou mnohem vzácnější. Pro úplnost – stejnou koncepci v podobě předsazeného pancíře používali jako první už před druhou světovou válkou na svých tancích Němci.

U Giotta měl Whippleův štít sílu 1 mm a 23 cm za ním se nacházel hlavní kevlarový štít o tloušťce 13,5 mm. Sonda tak měla vydržet i zásah tělesem o hmotnosti 1 g letícím rychlostí 70 km/s. Nešlo přitom o zbytečnou paranoii: vzájemná rychlost komety a automatu totiž činila 68 km/s! Teoreticky se slabinou průzkumníka mohl stát hlavní urychlovací motor, jehož tryska ústila ven právě předsazeným štítem – pro jistotu se tedy po skončení činnosti motoru uzavírala půlkulovitým krytem. 

Kamera chytřejší než sonda

V lednu 1981 došlo k volbě deseti přístrojů pro Giotto o celkové hmotnosti 59 kg. Nejdůležitější a nejtěžší (13,5 kg) byla kamera HMC neboli Halley Multicolor Camera, jež představovala mimořádnou technickou výzvu: mimo jiné měla zajistit ostré snímky z rotující sondy. Navíc směřovala do boku průzkumníka a pohled vpřed jí zajišťovalo hliníkové zrcátko v tubusu – jakýsi periskop. Ostatně podobně chránil Whippleův štít většinu zařízení: mimo automat přesahovala jen nezbytná čidla, hlavní část byla uvnitř.

Kameru HMC řídil počítač disponující větším výkonem než hlavní palubní počítač Giotta: měl za úkol průběžně vyhodnocovat snímky a zaměřovat kameru na nejjasnější místo na obloze – na kometární jádro. Řídicí software navíc dokázal při rotaci sondy kompenzovat i její neplánované rozkývání po střetu s větší prachovou částicí. Kamera měla mít rozlišení 13 m; jenže při jejím vývoji došlo k celé řadě problémů a v roce 1983 to vypadalo, že bude z mise vyřazena. Pak se sice mezi palubní přístroje vrátila, nicméně letový exemplář byl k dispozici až dva měsíce před startem. Nepodařilo se jej proto odzkoušet, přičemž o několika závadách se dokonce vědělo, ale nezbýval čas na jejich odstranění.

Na jihoamerický kosmodrom v Kourou ve Francouzské Guyaně dorazila sonda v květnu 1985 po dobrodružné cestě Evropou: přečkala požár, který ji zachvátil u výrobce, během převozu pak kolonu zastihla sněhová bouře a nakonec do nákladního auta s budoucím vesmírným průzkumníkem narazilo další vozidlo…

První snímky

Sonda měla podle původního plánu startovat na raketě Ariane 3 společně s komerční telekomunikační družicí. Jenže se nepodařilo najít vhodného „spolupasažéra“, a tak ESA vyměnila nosič za menší Ariane 1, na jejíž palubě automat nakonec 2. července 1985 vzlétl. Den a půl strávil na parkovací dráze, načež jej urychlovací motor poslal ke kometě. Pohon pracoval naprosto přesně, takže na palubě najednou vznikla velká rezerva hydrazinu. Poprvé se tudíž začalo mluvit o možnosti misi prodloužit a nasměrovat sondu k dalšímu cíli. Nejprve však musela přežít průlet kolem 1P/Halley.

Sedmadvacátého srpna 1985 byla provedena první korekce dráhy o 7,4 m/s, což mělo Giotto dostat na vzdálenost 4 000 km od jádra komety – podle tehdejšího nejlepšího odhadu dráhy. V lednu 1986 ztratilo řídící středisko s automatem krátce spojení. Americký Voyager 2 totiž prolétal kolem Uranu a prakticky veškeré pozemní antény směřovaly k němu. Řízení Giotta proto převzala záložní stanice v australském Perthu, která však kvůli technické chybě nedokázala navázat spojení. Naštěstí se jednalo jen o drobnou příhodu, takže 12. února 1986 došlo ke druhé korekci, jež změnila rychlost zařízení o 0,566 m/s. Čtvrtého března téhož roku pak palubní kamera pořídila první snímky vlasatice ze vzdálenosti 59 milionů kilometrů. 

Velmi blízký průlet

Halleyovu kometu v té době zkoumala flotila automatů, přičemž obzvlášť cenné byly výstupy ze sovětských stanic VEGA 1 s průletem 6. března 1986 a VEGA 2 s průletem o tři dny později. Ukázalo se totiž, že se u cílového tělesa nachází mnohem víc prachu, než se čekalo. Řídící tým ESA proto znejistěl: největší výtrysk prachu, který zaznamenala VEGA 1, by evropskou sondu stoprocentně zničil. 

Desátého března 1986 se uskutečnila závěrečná prověrka Giotta i pozemního týmu – a ve stejný den se rozhodovalo, jak blízko si průzkumník troufne. Původní plán počítal s průletem ve vzdálenosti 500–1 000 km, neboť blíž už by kamera HMC nemohla pořídit kvalitní snímky. Konstruktéři jiných přístrojů však považovali Giotto za sebevražednou misi a chtěli se dostat až ke kometě. Nakonec zvítězil kompromis v hodnotě 540 km (± 40 km).

Dvanáctého března 1986 se odehrála poslední korekce trajektorie o 2,5 m/s. Stejného dne detekovaly palubní přístroje ve vzdálenosti 7,8 milionu kilometrů ionty vodíku z komety. O den později se sonda natočila tak, aby ji Whippleův štít maximálně chránil a aby bez přestávky komunikovala se Zemí. Data vysílala průběžně pro případ, že by zanikla. Třináctého března 1986 ve 3:02 GMT pak proletěla ve vzdálenosti 596 km od jádra komety. O tři minuty dřív „prostřelilo“ předsunutý štít první zrnko prachu, při průletu pak utrpěl dalších devět podobně závažných zásahů. 

Jen 7,2 sekundy před největším přiblížením se vysílání přerušilo: všichni se domnívali, že je konec, sonda se však 21,75 sekundy po průletu znovu ozvala. Později se ukázalo, že kolize s větší prachovou částicí vyvolala na palubě zkrat, který narušil synchronizaci mezi rotací Giotta a anténou směřující k Zemi. A než ji palubní počítač obnovil, uběhlo právě zmíněných 29 sekund. Spojení každopádně nebylo ideální a opět plně fungovalo až 32 minut po průletu.

Život po kometě

Dodatečná analýza dat ukázala, že Whippleův štít byl velmi účinný. Přesto automat ztratil 600 g hmotnosti, neboť jeho přesahující senzory doslova „očesaly“ částice prachu – zničily například tubus kamery HMC. Sonda čelila dokonce tak intenzivnímu „bombardování“, že její rychlost klesla o 23 cm/s. 

Rozbor dat trval několik let a samotné snímky jádra z kamery HMC se počítačově zpracovávaly dva roky! Software se totiž zaměřil na nejjasnější body na kometě, což však byly výtrysky hmoty. Navíc se po proražení štítu průzkumník zahříval, a kamera tak nefungovala správně. Podařilo se každopádně rozlišit 60m detaily.

Už 15. března 1986 se palubní přístroje vypnuly a mezi 19. a 22. březnem se uskutečnily tři korekční manévry, které Giotto nasměrovaly zpět k Zemi. Kolem rodné planety prolétla sonda v červenci 1990, a to ve vzdálenosti 22 731 km. Několik dalších korekcí dráhy ji pak navedlo ke kometě 26P/Grigg-Skjellerup: minula ji ve vzdálenosti 200 km a opět získala množství cenných informací, přestože se část přístrojů poškodila u 1P/Halley. Navíc, jak už jsme zmínili, konstruktéři automat optimalizovali jen pro jeden průlet v určitém čase, takže komunikace u druhého cíle byla obtížná.

ESA poté přišla s plánem poslat Giotto ještě ke třetí kometě, s maximálním přiblížením kolem roku 2006, ale na palubě už zbývaly jen 4 kg hydrazinu. V červenci 1999 proletěla sonda 219 000 km od Země, tentokrát se ji však přes veškerou snahu nepodařilo oživit. Přesto se stala jedním z největších evropských kosmických triumfů.