26. června 2022: V neděli NASA oznámila zpoždění startu CAPSTONE nejméně o jeden den, aby poskytla více času na provedení závěrečných kontrol systémů. Článek byl aktualizován.
V příštích letech bude mít NASA na Měsíci plné ruce práce.
Obří raketa vynese kapsli bez astronautů na palubě kolem Měsíce a zpět, možná před koncem léta. Přehlídka robotických přistávacích modulů zahájí experimenty na Měsíci, aby shromáždila množství vědeckých dat, zejména o vodním ledu uzavřeném v polárních oblastech. Za pár let se tam mají vrátit astronauti, více než půl století od posledního přistání Apolla na Měsíci.
To vše je součástí měsíčního programu NASA pro 21. století pojmenovaného po Artemis, která byla v řecké mytologii dvojčetem Apolla.
Již tento týden má odstartovat kosmická loď jménem CAPSTONE jako první kus Artemis, který zamíří k Měsíci. Ve srovnání s tím, co bude následovat, je skromné co do velikosti a rozsahu.
Na palubě CAPSTONE nebudou žádní astronauti. Kosmická loď je příliš malá, velká asi jako mikrovlnná trouba. Tato robotická sonda ani nepřistane na Měsíci.
Ale v mnoha ohledech se nepodobá žádné předchozí misi na Měsíc. Mohla by sloužit jako šablona pro partnerství veřejného a soukromého sektoru, která by NASA mohla v budoucnu podniknout, aby získala lepší ránu za své peníze na meziplanetárních cestách.
„NASA již dříve letěla na Měsíc, ale nejsem si jistý, zda to někdy bylo takto sestaveno,“ řekl Bradley Cheetham, výkonný ředitel a prezident Advanced Space, společnosti, která řídí misi pro NASA.
Start byl naplánován na pondělí, ale v neděli byl start zpožděn nejméně o jeden den, aby Rocket Lab, americko-novozélandská společnost, která zajišťuje cestu CAPSTONE na oběžnou dráhu, měla více času na provedení závěrečných kontrol systému.
„Týmy vyhodnocují počasí a další faktory, aby určily datum dalšího pokusu o start,“ uvedla NASA na blogu. „Příští příležitost ke spuštění v aktuálním období je 28. června.“
Celý název mise je Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment. Bude fungovat jako průzkumník na oběžné dráze Měsíce, kde bude nakonec postavena vesmírná stanice s posádkou jako součást Artemis. Tato základna s názvem Gateway bude sloužit jako mezistanice, kde se budoucí posádky zastaví, než budou pokračovat na měsíční povrch.
CAPSTONE je pro NASA v několika ohledech neobvyklý. Jednak sedí na odpalovací rampě ne na Floridě, ale na Novém Zélandu. Za druhé, NASA nenavrhla ani nepostavila CAPSTONE a ani jej nebude provozovat. Agentura ji ani nevlastní. CAPSTONE patří společnosti Advanced Space, společnosti se 45 zaměstnanci na okraji Denveru.
Kosmická loď má pomalou, ale účinnou trajektorii k Měsíci. Příležitosti ke startu jsou denně až do 27. července. Pokud se do té doby kosmická loď odlepí od země, bez ohledu na to, který den odstartuje, dostane se na oběžnou dráhu Měsíce ve stejný den: 13. listopadu.
Mise CAPSTONE pokračuje v úsilí NASA o nové způsoby spolupráce se soukromými společnostmi v naději, že rychleji získá další schopnosti za nižší cenu.
„Je to další způsob, jak NASA zjistit, co potřebuje zjistit, a snížit náklady,“ řekl Bill Nelson, administrátor NASA.
Smlouva Advance Space s NASA na CAPSTONE, podepsaná v roce 2019, stála 20 milionů dolarů. Cesta do vesmíru pro CAPSTONE je také malá a levná: necelých 10 milionů dolarů za start od Rocket Lab.
„Během tří let to bude méně než 30 milionů dolarů,“ řekl Christopher Baker, programový manažer pro technologii malých kosmických lodí v NASA. „Relativně rychlé a relativně nízké náklady.“
Dokonce i Beresheet, snaha izraelské neziskové organizace přistát na Měsíci v roce 2019, stála 100 milionů dolarů.
„Vidím to jako průkopník toho, jak můžeme pomoci usnadnit komerční mise mimo Zemi,“ řekl pan Baker.
Hlavním posláním CAPSTONE je trvat šest měsíců s možností dalšího roku, řekl pan Cheetham.
Data, která shromáždí, pomohou plánovačům měsíční základny známé jako Gateway.
Když prezident Donald J. Trump v roce 2017 prohlásil, že hlavní prioritou vesmírné politiky jeho administrativy je posílat astronauty zpět na Měsíc, módní slova v NASA byla „opakovaně použitelná“ a „udržitelná“.
To vedlo NASA k tomu, aby se vesmírná stanice kolem Měsíce stala klíčovým prvkem toho, jak se astronauti dostanou na měsíční povrch. Takové stanoviště by jim usnadnilo dosáhnout různých částí Měsíce.
První přistávací mise Artemis, která je v současnosti naplánována na rok 2025, ale pravděpodobně bude odsunuta, nebude využívat Gateway. Ale další mise budou.
NASA se rozhodla, že nejlepším místem pro umístění této základny by bylo to, co je známé jako téměř přímočará halo orbita.
Halo oběžné dráhy jsou oběžné dráhy ovlivněné gravitací dvou těles — v tomto případě Země a Měsíce. Vliv těchto dvou těles pomáhá zajistit vysokou stabilitu oběžné dráhy, čímž se minimalizuje množství pohonné látky potřebné k udržení kosmické lodi kolem Měsíce.
Gravitační interakce také udržují oběžnou dráhu pod úhlem asi 90 stupňů vzhledem k přímému pohledu ze Země. (Toto je téměř přímočará část názvu.) Kosmická loď na této oběžné dráze tedy nikdy neproletí za Měsíc, kde by byla přerušena komunikace.
Dráha, kterou bude Gateway cestovat, se nachází do vzdálenosti asi 2 200 mil od severního pólu Měsíce a vede přes jižní pól až do vzdálenosti 44 000 mil daleko. Jedna cesta kolem Měsíce zabere zhruba týden.
Z hlediska základní matematiky jsou exotické trajektorie, jako je téměř přímočará halo orbita, dobře pochopeny. Ale to je také dráha, kam se dosud žádná kosmická loď nedostala.
Takže CAPSTONE.
„Myslíme si, že to máme velmi, velmi dobře charakterizované,“ řekl Dan Hartman, programový manažer společnosti Gateway. „Ale s tímto konkrétním užitečným zatížením CAPSTONE můžeme pomoci ověřit naše modely.“
V praxi, bez jakýchkoliv družic globálního systému určování polohy kolem Měsíce, které by přesně určily polohu, může trvat několik pokusů a omylů, abychom zjistili, jak nejlépe udržet kosmickou loď na požadované oběžné dráze.
„Největší nejistota je ve skutečnosti vědět, kde jste,“ řekl pan Cheetham. „Ve vesmíru nikdy nevíš, kde jsi.“ Takže máte vždy odhad, kde to je, s určitou nejistotou.“
Stejně jako ostatní mise NASA bude CAPSTONE triangulovat odhad své polohy pomocí signálů z rádiové anténní sítě NASA Deep Space Network a poté se v případě potřeby posouvá zpět na požadovanou oběžnou dráhu těsně poté, co projde nejvzdálenějším bodem od Měsíce.
CAPSTONE také otestuje alternativní metodu nalezení své pozice. Je nepravděpodobné, že by někdo vynaložil čas a náklady na vybudování sítě GPS kolem Měsíce. Ale kolem Měsíce krouží další kosmické lodě, včetně Lunar Reconnaissance Orbiter společnosti NASA, a další pravděpodobně dorazí v nadcházejících letech. Vzájemnou komunikací by flotila kosmických lodí na různých drahách mohla v podstatě nastavit ad hoc GPS.
Advanced Space vyvíjí tuto technologii více než sedm let a nyní bude testovat koncept s CAPSTONE posíláním signálů tam a zpět s Lunar Reconnaissance Orbiter. „Budeme schopni určit, kde jsou obě kosmické lodě v průběhu času,“ řekl pan Cheetham.
Při zahájení vývoje CAPSTONE se společnost Advanced Space také rozhodla přidat do kosmické lodi atomové hodiny v měřítku počítačového čipu a porovnat tento čas s tím, co se vysílá ze Země. Tato data mohou také pomoci určit polohu kosmické lodi.
Protože společnost Advanced Space vlastní CAPSTONE, měla možnost tuto změnu provést bez povolení od NASA. A přestože agentura na takových projektech stále úzce spolupracuje, tato flexibilita může být přínosem jak pro soukromé společnosti, jako je Advanced Space, tak pro NASA.
„Vzhledem k tomu, že jsme měli s našimi dodavateli obchodní smlouvu, když jsme potřebovali něco změnit, nemuselo to projít velkou kontrolou státních smluvních úředníků,“ řekl pan Cheetham. „To pomohlo z hlediska rychlosti.“
Odvrácenou stranou je, že protože Advanced Space vyjednal fixní poplatek za misi, společnost nemohla jít do NASA požádat o další peníze (ačkoli obdržela další platby kvůli zpožděním dodavatelského řetězce způsobeným pandemií Covid-19). Tradičnější smlouvy NASA známé jako „cost-plus“ proplácejí společnostem to, co utratí, a k tomu navíc přidávají poplatek – obdržený jako zisk, což je jen málo motivuje k tomu, aby udržely náklady pod kontrolou.
„Jak se věci objevily, museli jsme přijít na to, jak se s nimi vypořádat velmi efektivně,“ řekl pan Cheetham.
Je to podobné jako úspěšná strategie NASA využívající smlouvy s pevnou cenou se společností SpaceX Elona Muska, která nyní přepravuje náklad a astronauty na Mezinárodní vesmírnou stanici az ní za mnohem nižší náklady, než to kdysi dělaly vlastní raketoplány agentury. Investice NASA umožnily SpaceX přilákat zákazníky mimo NASA, kteří se zajímali o vypouštění nákladu a soukromé astronauty na oběžnou dráhu.
Až do CAPSTONE byla práce Advanced Space převážně teoretická – analýza oběžných drah a psaní softwaru pro její ad hoc GPS – nikoli stavba a provoz kosmických lodí.
Společnost stále ve skutečnosti nepodniká ve výrobě kosmických lodí. „Koupili jsme vesmírnou loď,“ řekl pan Cheetham. „Říkám lidem, že jediný hardware, který zde v Advanced stavíme, je Legos. Máme skvělou sbírku Lega.”
V posledních několika desetiletích se rozšířily malé satelity známé jako CubeSats, které umožnily více společnostem rychle postavit kosmické lodě založené na standardizovaném designu, ve kterém má každá krychle velikost 10 centimetrů nebo čtyři palce. CAPSTONE patří mezi největší, s objemem 12 kostek, ale společnost Advanced Space jej mohla koupit téměř z regálu od Tyvak Nano-Satellite Systems z Irvine v Kalifornii.
To ještě vyžadovalo hodně řešení problémů. Například většina CubeSatů je na nízké oběžné dráze Země, jen několik set mil nad povrchem. Měsíc je téměř čtvrt milionu mil daleko.
„Nikdo neletěl CubeSatem na Měsíc,“ řekl pan Cheetham. „Takže dává smysl, že nikdo nepostavil vysílačky, aby létaly CubeSaty na Měsíci.“ A tak jsme se museli opravdu ponořit do toho, abychom porozuměli spoustě těch detailů a vlastně jsme se spojili s několika různými lidmi, abychom měli systémy, které by mohly fungovat.“
Pan Hartman, programový manažer Gateway, je nadšený z CAPSTONE, ale říká, že není nezbytné, abychom se posunuli vpřed s lunární základnou. NASA již zadala zakázky na stavbu prvních dvou modulů Gateway. Evropská kosmická agentura rovněž přispívá dvěma moduly.
„Můžeme létat bez něj?“ Pan Hartman řekl o CAPSTONE. „Ano. Je to povinné? Ne.“
Ale dodal: „Kdykoli můžete snížit chybové úsečky ve svých modelech, je vždy dobrá věc.“
Pan Cheetham přemýšlí o tom, co by mohlo přijít příště, možná další mise na Měsíc, ať už pro NASA nebo jiné komerční partnery. Také přemýšlí dál.
„Velmi mě zaujalo přemýšlení o tom, jak bychom mohli udělat něco podobného typu jako Mars,“ řekl. „Vlastně mě osobně taky dost zajímá Venuše.“ Myslím, že tomu není věnována dostatečná pozornost.“