Juno - liczby, technologie i plan gry

Sonda Juno w liczbach

W przypadku premier sprzętowych zawsze ważne są specyfikacje. Juno także takową posiada, a to najważniejsze i najciekawsze szczegóły.

• Juno to druga po New Horizons misja realizowana w ramach projektu New Frontiers
• sonda ma kształt litery Y - rozmiary są porównywalne z boiskiem do koszykówki (średnica około 20 m)
• wymiary modułu z paliwem i aparaturą to 3,5 metra wysokości i 3,5 metra średnicy
• powierzchnia baterii słonecznych (są 3) - ponad 60 metrów kwadratowych
• waga wynosi 3625 kilogramów, w tym 1593 kg to aparatura, a reszta to paliwo i utleniacz (około 2/3 paliwa będzie zużyte podczas wejścia na orbitę Jowisza)
• moc generowana przez baterie w okolicy Jowisza - około 500 W
• dotychczas przebyty dystans - ponad 2,8 miliarda kilometrów
• przebyty dystans po zakończeniu misji - prawie 3,4 miliarda kilometrów
• wejście na orbitę z prędkością 58 km/s, najszybciej w historii
• pierwszy statek z tytanowymi elementami wykonanymi w druku 3D (wsporniki falowodów)
• sonda będzie pracować w obszarze o wyjątkowo wysokim poziomie promieniowania (pasy radiacyjne)
• tytanowa osłona elektroniki waży 200 kilogramów i ma około 1 cm grubości
• hamowanie z pomocą silnika potrwa 35 minut
• Juno wyposażono w 12 silników manewrowych
• 29 sensorów zbierze dane naukowe
• po raz pierwszy tak ważna misja ma instrument nienaukowy na pokładzie

Sonda Juno i technologie

Jak zwykle elektronika, która odpowiada za funkcjonowanie aparatury naukowej, nawigację i komunikację z Ziemią, znacznie odbiega od tego do czego jesteśmy przyzwyczajeni tu na Ziemi. Komputer sterujący sondą wykorzystuje platformę RAD750 z procesorem taktowanym zegarem maksymalnie 200 MHz. Wyposażono go w 128 MB pamięci DRAM i 256 MB roboczej pamięci Flash. Przepustowość kanałów komunikacyjnych wynosi 100 Mbps, więcej niż zapotrzebowanie zastosowanej aparatury. Dane, gromadzone w pamięci masowej (jej pojemność nie jest oficjalnie podana) będą stopniowo przesyłane na Ziemię.

Maksymalnie jeden BSOD na 15 lat pracy - taka jest stabilność platform RAD750

W przypadku Juno, sytuacja jest znacznie prostsza niż w przypadku sondy New Horizons. Nie tylko odległość jest mniejsza, ale i okna komunikacyjne wygodniejsze. W lipcu tego roku, czas konieczny na pokonanie przez sygnał radiowy drogi z Jowisza na Ziemię, wyniesie około 49 minut.

Dlaczego mimo ciągłego rozwoju elektroniki, nadal stosowane są stosunkowo powolne procesory i niewielkie dawki pamięci? NASA ma ciekawe porównanie. W trakcie głównej, trwającej nieco ponad rok, fazy misji Juno, elektronika będzie narażona na promieniowanie rentgenowskie porównywalne ze 100 milionami prześwietleń zęba u dentysty.

Montaż tytanowej komory na komputer

By zapewnić odpowiednią ochronę przed taką dawką promieniowania, nie tylko sama elektronika musi być odporna na błędy, które wywołuje promieniowanie, ale musi być też sama odpowiednio chroniona. Część tej pracy wykonuje obudowa modułów procesorów i pamięci, ale najważniejsze zadanie pełni tytanowa obudowa, wewnątrz której promieniowanie jest 800 razy niższe niż na zewnątrz. 

Juno to pierwsza misja z tytanową osłoną dla najbardziej wrażliwej aparatury i elektroniki

Innym rodzajem zabezpieczenia są tak zwane tryby bezpieczne pracy. Gdy oprogramowanie sondy wykryje anomalie (mogą to być anomalie zasilania, ale także błędy funkcjonowania aparatury czy komputera pokładowego, a także zwiększone promieniowanie) zachowa się wedle jednego z wielu przygotowanych scenariuszy. Wszystko po to, by nie utracić zasilania (panele słoneczne muszą być wycelowane z kierunku Słońca), nie uszkodzić aparatury (część może zostać wyłączona) i nie utracić łączności z Ziemią (anteny muszą być odpowiednio skierowane).

Decyzja nie będzie ryzykowna dla kierujących sondą gdyż Ci znajdują się daleko od niej, ale może być kosztowna. Nie chodzi tu nawet o koszty misji, bo Juno podobnie jak New Horizons to misja o relatywnie niskim budżecie nie przekraczającym miliarda dolarów. A o czas jaki zaangażowano w jej przygotowanie i realizację.

Montaż paneli słonecznych

Szczególnie krytyczny jest moment wejścia na orbitę. Dlatego podjęto decyzję, by wyłączyć wszystkie systemy, które nie są potrzebne podczas tego etapu misji, a których drobne usterki mogłyby zniweczyć wieloletni wysiłek.

Juno to pierwsza sonda, która odwiedzi Jowisza, a której źródłem zasilania nie będzie radioizotopowy generator termoelektryczny, tak jak to miało miejsce w między innymi w przypadku misji Galileo. To po części zasługa postępu technologii paneli słonecznych, ich dużej powierzchni, ale i relatywnie niewielkiej jeszcze odległości od Słońca. Skuteczność konwersji energii w tym przypadku wynosi 20%.

Juno to pierwszy pojazd zasilany energią słoneczną, który dotarł tak daleko

Panele słoneczne będą przez całą główną misję oświetlone. Jednak na wszelki wypadek, jako zabezpieczenie, na pokładzie umieszczono dwa akumulatory litowo-jonowe o pojemności 55 Ah każdy. 

Juno cały czas się obraca

By zminimalizować wagę sondy, a także uprościć konstrukcję, wszelkie instrumenty badawcze umieszczone są na stałe. To z kolei wymusiło zastosowanie reżimu pracy z ruchem obrotowym sondy w tempie 2 obrotów na minutę (1 obrót w trakcie lotu na Jowisza, 5 obrotów przy wejściu na orbitę). Pozwoli to objąć całą powierzchnię Jowisza polem widzenia instrumentów badawczych - 240 razy w ciągu dwóch godzin, za każdym razem gdy Juno będzie przelatywał w pobliżu powierzchni planety.

Tylko wtedy będzie również szansa na wykonanie najwyższej jakości zdjęć - przynajmniej kilkunastu przy każdym zbliżeniu.

JunoCam - kamera, którą w końcu zniszczy promieniowanie

Kamera JunoCam to instrument umieszczony na pokładzie sondy z myślą o społeczności internetowej i edukacji. Dla naukowców istotniejsze będą dane z kamery-spektroskopu JIRAM, który dostosowano do obserwacji w podczerwieni. Celem JIRAM będą polarne zorze na Jowiszu.

Po raz pierwszy zobaczymy zdjęcia obszarów biegunowych Jowisza

JunoCam to z kolei instrument, który może nie dotrwać do końca misji. Ze względu na silne promieniowanie, umieszczona na zewnątrz tytanowego korpusu kamera i jej elektronika mogą ulec uszkodzeniu już po pół roku. Choć to tylko kalkulacje to i tak czasu będzie dużo na świetne zdjęcia.

Ze względu na ruch obrotowy sondy, będą one wykonywane nie jako cały kadr naraz, a w postaci pasków, które zostaną złożone w wynikowy obraz. Rejestracja bazuje na technice integracji obrazu z opóźnieniem czasowym (TDI, ang. Time Delayed Integration).

JunoCam będzie miała najwyższy priorytet przez dwie wspomniane godziny przy każdym zbliżeniu się do Jowisza. Gdy sonda oddali się od planety, wyższy priorytet będą miały inne instrumenty. Zresztą, w maksymalnej odległości, Jowisz będzie miał tylko 75 pikseli średnicy.

Kamera została zbudowana na bazie konstrukcji MARDI (kamery lądowania), którą opisywałem przy okazji lądowania łazika Curiosity na Marsie. Wewnątrz znajduje się sensor CCD Kodak KAI-2020 o rozdzielczości efektywnej 1600 x 1200 pikseli. Sensor ma rozmiar piksela 7,4 um, większy niż w 20 Mpix pełnoklatkowym aparacie.

Pole widzenia kamery wynosi 58 stopni, a rozdzielczość obrazów maksymalnie kilkanaście km/piksel. Kamera widzi w czterech pasmach o długości od 400 do 900 nm (bliska podczerwień). Obrazy będą miały rozmiar 1600x4800 pikseli w kolorze (RGB) lub 800x2400 pikseli w paśmie metanu.

Surowe obrazy z JunoCam

Obrazy rejestrowane przez JunoCam od listopada będą automatycznie udostępniane na specjalnej stronie JunoCam, gdzie umieszczone będą instrukcje jak można je przetworzyć by uzyskać kolorowe obrazy. Będzie można też głosować na obiekty, które powinny zostać sfotografowane.

Juno zgłosi się za pomocą modulowanych tonów

Nie wszystkie etapy komunikacji sondy z Ziemią będą odbywały się z pomocą anteny o wysokim wzmocnieniu i w paśmie X. Część komunikatów, w tym te o statusie pracy i pomyślnym (lub nie) zakończeniu operacji, prześlą anteny o niskim wzmocnieniu za pomocą zestawu 256 tonów. Każdy z tych trwających 10 sekund sygnałów wykorzystuje modulację MFSK i oznacza co innego.

Główna antena Juno podczas testów wytrzymałościowych

Komunikacja tego typu, jest też jedyną dostępną podczas wejścia na orbitę Jowisza.

Plan gry

Sonda Juno została wyniesiona na orbitę z pomocą rakiety Atlas V551 w sierpniu 2011 roku. Po dwóch latach wykonała manewr zwany asystą grawitacyjną z pomocą Ziemi, by osiągnąć odpowiednią trajektorię, która zapewniła przylot na Jowisza na początku drugiej połowy 2016 roku.

Dzień 4 (u nas 5) lipca będzie tym kluczowym, choć już od stycznia Juno znajduje się w fazie zbliżania do Jowisza. W lipcu Juno oficjalnie wejdzie na orbitę Jowisza i rozpocznie badania planety. Co zdarzy się potem?

Planowany początek końca misji to październik 2017. Wtedy sonda w kontrolowany sposób opuści orbitę i zanurzy się w atmosferze Jowisza co ma nastąpić pod koniec lutego 2018 roku. Wcześniej przez ponad rok Juno będzie obiegał tę planetę po wydłużonej orbicie (animacja na dole) o okresie dwóch tygodni, znacznie zmieniając odległość od Jowisza. W momencie największego zbliżenia, odległość od górnej warstwy chmur wyniesie od 4200 do 7900 km, zależnie od orbity.

Kolejne 14 dniowe orbity Juno wokół Jowisza

Docelowo sonda Juno okrąży Jowisza 37 razy (32 razy prowadząc badania naukowe), zanim spotka ją przeznaczenie.

A co może obserwować amator, poza doniesieniami z misji Juno?

Jowisz jest planetą zewnętrzną, a to oznacza, że mamy szansę obserwować go nawet w ciągu nocy, długo po zachodzie Słońca. Oczywiście musi jeszcze zaistnieć odpowiednia konfiguracja planety względem Słońca, a ta ze względu na prawie 12 letni okres orbitalny Jowisza nie powtarza się co roku dla danej lokalizacji. W Polsce obecnie Jowisza możemy obserwować o zachodzie Słońca. Ponieważ jest on jasnym obiektem, nawet łatwy do zauważenia nawet w blasku zachodzącego Słońca.

Jowisz widoczny jest gołym okiem nawet w zanieczyszczonym światłem otoczeniu wielkich miast. Na początku lipca 2016, zobaczymy go wieczorem na zachodzie.

Gdy warunki są sprzyjające, już przez niewielką lornetkę (o powiększeniu 8x) możemy dojrzeć 4 księżyce Galileuszowe. To nie koniec, przy odrobinie cierpliwości, a ta oznacza obserwacje Jowisza przynajmniej przez jedną noc, dostrzeżemy powolny ruch każdego z nich - najszybciej bo w ciągu niespełna 2 dni obiega Jowisza najbliższy Io, a najwolniej bo przez ponad dwa tygodnie najodleglejszy z tych księżyców, Callisto.

Drugą rzeczą, którą możemy dojrzeć na Jowiszu przy niewielkich nakładach są pasy chmur. Wystarczy tu niewielka luneta o średnicy obiektywu 5-10 cm i dobre warunki pogodowe. Chmury będą na granicy widoczności, ale im lepszy sprzęt zastosujemy, tym więcej dostrzeżemy. Teleskopy o średnicy kilkunastu cm pozwolą już obserwować Jowisza w pełnej glorii. Warto pamiętać, że w przypadku Jowisza powiększenie gra dużą rolę, czego nie możemy powiedzieć o gwiazdach (z pewnymi wyjątkami).

Jowisz widziany przez Nikona P900 - warunki miejskie, wokół lampy uliczne, a powietrze niezbyt przejrzyste

Zamiast lunety możemy sięgnąć także po inne narzędzie, mianowicie aparat typu ultrazoom. Te o największej ogniskowej, ponad 1000 mm, dają szansę ujrzenia zarysów chmur, choć jest to bardzo trudne.

Źródło: NASA, inf. własna