Кіріспе

NASA-ның Марсты екі марсоход арқылы зерттеу миссиясы

NASA-ның Марсты зерттеу миссиясы (MER) – Spirit және Opportunity атты екі Марс марсоходының қатысуымен Марс планетасын зерттеуге бағытталған роботтық ғарыш миссиясы. Миссия 2003 жылы екі марсоходты Марс беті мен геологиясын зерттеу үшін ұшырумен басталды; екеуі де 2004 жылдың қаңтар айында Марста әртүрлі жерлерге қонды. Екі марсоход та жоспарланған 90 марстық күннен әлдеқайда ұзақ жұмыс істеді: MER A Spirit 2010 жылдың 22 наурызына дейін, ал MER B Opportunity 2018 жылдың 10 маусымына дейін белсенді болды.

Круиздік кезең

Круиздік саты – Жерден Марсқа дейінгі сапарға қолданылатын ғарыш кемесінің құрамдас бөлігі. Ол Марс Pathfinder-ге құрылымдық жағынан өте ұқсас және кіру аппаратын қоса алғанда, диаметрі 2,65 метр (8,7 фут) және биіктігі шамамен бірдей. Негізгі құрылымы алюминийден жасалған, сырты күн панельдерімен жабылған қабырғалы сақинадан тұрады, олардың диаметрі шамамен 6 см. Бес бөлімге бөлінген күн панельдері Жерге жақын жерде 600 ваттқа дейін, ал Марста 300 ватт қуат бере алады. Жылытқыштар мен көп қабатты жылу оқшаулағыш электрониканы "жылы" ұстап тұрады. Фреон жүйесі ұшу компьютері мен ровердегі байланыс жабдықтарынан жылуды сыртқа шығарып, олардың қызып кетуіне жол бермейді. Круиздік электроника жүйелері ұшу компьютеріне күн сенсорлары, жұлдыз сканері және жылытқыштар сияқты басқа электроникамен байланысуға мүмкіндік береді.

Байланыс

Ғарыш кемесі байланыс үшін жоғары жиілікті X жолағы радио толқынының ұзындығын пайдаланды, бұл S жолағын қолданған көптеген ескі кемелерге қарағанда аз қуатты және кішірек антенналарды пайдалануға мүмкіндік берді. Навигаторлар командаларды круиздік сатыдағы екі антенна арқылы жіберді: ішкі сақинаға орнатылған төмен күшті антенна және сыртқы сақинадағы орташа күшті антенна. Төмен күшті антенна Жерге жақын жерде қолданылды. Ол барлық бағытта жұмыс істейтін, сондықтан Жерге жеткен қуат қашықтық артқан сайын тез төмендеді. Кеме Марсқа жақындағанда, кемеден қарағанда аспандағы Күн мен Жер жақындады, демек Жерге аз энергия жетті. Содан кейін ғарыш кемесі орташа күшті антеннаға ауысты, ол бірдей қуатты Жерге қарай тар шоқ түрінде бағыттады. Ұшу барысында ғарыш кемесі минутына екі айналымдық жылдамдықпен (rpm) тұрақтандырылды. Периодты жаңартулар антенналарды Жерге, ал күн панельдерін Күнге бағытталды.

Жерге түсіру

Космикалық аппараттың қону платформасы – роверді қорғайтын қауіпсіз қабықша, ол әуе қаптарымен бірге оны соққы күштерінен сақтайды. Қону платформасы төртжақ пирамида пішіндес, оның қабырғалары гүлдің жапырақтары сияқты ашылады. Ол мықты әрі жеңіл, арқалықтар мен плиталардан жасалған. Арқалықтар алюминийден жеңіл, болаттан мықтырақ тоқылған гранит талшықтарынан тұрады. Арқалықтарға титан бөлшектері жабыстырылып, бекітіледі, осылай оларды бұрандалармен біріктіруге болады. Ровер қону платформасының ішінде бұрандалар мен арнайы гайкалармен ұсталып тұрды, қонғаннан кейін олар шағын жарылғыш құрылғылардың көмегімен босатылды.

Тіке тұру

Жерге қонғаннан кейін, жер бетінде домалап, секіріп тоқтаған соң, ол тетраэдрдің табанына немесе оның бір жағына орналасты. Содан кейін жақтары ашылып, табан бөлігі көлденеңге келді, ал ровер тік тұрды. Жақтар табанға шарнирлер арқылы жалғастырылған, олардың әрқайсысында қондырғыны көтеруге жеткілікті күшті мотор орнатылған. Ровер және қондырғының жалпы массасы шамамен ... құрайды. Ровердің ғана массасы шамамен ... құрайды. Марстағы гравитация Жердегіден шамамен 38% төмен болғандықтан, мотор Жердегіден гөрі аз қуатты болуы керек. Роверде гравитацияның тартылысын өлшеу арқылы Марс беті қай жаққа екенін анықтайтын акселерометрлер бар. Ровердің компьютері содан кейін роверді тік қою үшін дұрыс жапырақшаны ашуға бұйрық берді. Табан жапырақшасы төмен түсіріліп, ровер тік тұрғаннан кейін, қалған екі жапырақша ашылды. Жапырақшалар бастапқыда бірдей жазық күйге дейін ашылды, сондықтан қондырғының барлық жақтары түзу және тегіс болды. Жапырақша моторлары соншалықты күшті, егер екі жапырақша тасқа тірелсе, тас үстіндегі көпір сияқты ровердің табаны орнында тұрады. Табан жапырақшалардың тірелген биіктігімен бір деңгейде болады, бұл ашық, жалпақ қондырғының бойымен түзу, тегіс бетті құрайды. Жердегі ұшу тобы роверге жапырақшаларды реттеуге және роверді қондырғыдан және Марс бетіне тік тастан құламай, қауіпсіз жолмен шығуға командалар жібере алады.

Пайдалы жүкті Марсқа жылжыту

Ровердің қондырғыдан шығуы – миссияның шығу кезеңі деп аталады. Ровердің дөңгелектері ауа қаптарының материалына ілігіп қалмауы немесе тік беткейден құлап кетпеуі керек. Осыған көмектесу үшін жапырақшалардағы кері тарту жүйесі жапырақшалар ашылмас бұрын ауа қаптарын қондырғыға қарай тартады. Жапырақшалар арасындағы кеңістіктерді толтыру үшін жапырақшалардағы кішкентай пандустар жайылады. Олар тегіс емес жерді, тас кедергілерін және ауа қаптарының материалымен жабады, соның нәтижесінде ровердің көбірек бағытта жүре алатын дөңгелек аймағы құрылады. Олар сондай-ақ ровердің төмен түсуі керек қадамды төмендетеді. Оларды "жарқанат қанаттары" деп атайды және олар Vectran матасынан жасалған. Ауа қаптарын кері тарту және қондырғы жапырақшаларын жаюға шамамен үш сағат уақыт бөлінді.

Ровердің құрылысы

Роверлер – алты дөңгелекті, күн энергиясымен жұмыс істейтін роботтар, олардың биіктігі, ені және ұзындығы белгілі бір шамада. Олардың салмағы , соның ішінде дөңгелек және аспа жүйесінің салмағы. Негізгі қорап тәрізді шасси Жылы электроника қорабын (WEB) құрайды.

Қозғалтқыш жүйесі

Әрбір роверде Соджурнердегіге ұқсас, дөңгелектердің қиын жерде де жерге тиіп тұруын қамтамасыз ететін, алты алюминий дөңгелек және рокер-боги аспалы жүйесі орнатылған. Бұл конструкция ровер корпусының қозғалыс ауқымын екі есе азайтады және роверге дөңгелек диаметрінен үлкен кедергілерден немесе ойыстардан өтуге мүмкіндік береді. Ровер дөңгелектері қозғалыс кезінде соққыны жұмсартатын ендірілген икемді элементтермен жабдықталған. Сонымен қатар, дөңгелектерде жұмсақ құмға өрмелеуге және тастардан өтуге көмектесетін тістіктер бар. Әрбір дөңгелектің жеке қозғалтқышы болады. Екі алдыңғы және екі артқы дөңгелектің әрқайсысы жеке басқару қозғалтқыштарымен жабдықталған. Бұл көлікке бір орында толуға, толық айналуға, сондай-ақ қисайып, иісті бұрылыстар жасауға мүмкіндік береді. Роверлерге арналған қозғалтқыштарды швейцариялық Maxon Motor компаниясы жасаған. Ровер кез келген бағытта 45 градусқа дейін еңкейгенде де құламай тұра алады. Дегенмен, қауіпсіздік бағдарламасындағы "қателіктерден қорғау шектері" роверді 30 градустан артық еңкейіп кетпеуі үшін бағдарламалайды. Әрбір ровер алдыңғы дөңгелектерінің біреуін орында айналдырып, жерге тереңірек енуі мүмкін. Бұл кезде ровер қозғалмай тұрады, ал қазған дөңгелек айналып жатады. Роверлердің тегіс, қатты беттегі максималды жылдамдығы 50 мм/с (2 дюйм/с) құрайды. Орташа жылдамдығы 10 мм/с, себебі қауіпсіздік бағдарламасы оны 10 секунд сайын 20 секундқа тоқтатып, өзі өткен жерді байқап, түсінуге мәжбүр етеді.

Электр қуаты және электрондық жүйелер

Толық жарықтандырылған кезде, марсоходтың үшқосылғыш күн батареялары Марс күніне (сол) төрт сағатқа дейін шамамен 140 ватт энергия өндіреді. Марсоходты қозғалысқа келтіру үшін шамамен 100 ватт энергия қажет. Оның қуат жүйесіне екі қайта зарядталатын литий-иондық батарея кіреді, олар күн сәулесі болмаған кезде, әсіресе түнде энергиямен қамтамасыз етеді, әрқайсысының салмағы белгілі. Уақыт өте келе батареялар тозығып, толық қуатқа дейін зарядтала алмайды. 90 солдық миссияның соңына қарай күн батареяларының қуат өндіру қабілеті шамамен 50 ваттқа дейін төмендеуі мүмкін деп есептелді. Бұл, болжамды түрде, күн панельдеріндегі шаңның жиналуымен және маусымдық өзгерістермен байланысты болды. Алайда, үш Жер жылынан кейін марсоходтардың қуат көзі шаңның жағдайына байланысты күніне 300 ватт-сағаттан 900 ватт-сағатқа дейін ауытқып отырды. Тазалау оқиғалары (желдің әсерінен шаңның кетіп қалуы) НАСА күткеннен жиірек болды, бұл батареяларды шаңнан салыстырмалы түрде таза ұстап, миссияның ұзақтығын арттырды. 2007 жылы Марста болған жаһандық шаң дауыл кезінде екі марсоход та миссияның ең төмен қуатын бастан кешті; Opportunity 128 ватт-сағатқа дейін төмендеді. 2008 жылдың қараша айында Spirit Гусев кратері аймағындағы шаң дауылдарының салдарынан 89 ватт-сағат өндірісімен осы төмен қуаттылық рекордын жаңартты. Марсоходтар 128 МБ DRAM-мен (қателерді анықтау және түзету мүмкіндігімен) және 3 МБ EEPROM-мен жабдықталған, радиацияға төзімді 20 МГц RAD6000 процессорында VxWorks кіріктірілген операциялық жүйесін пайдаланады. Әр марсоходта сонымен қатар 256 МБ флэш-жад бар. Миссияның әртүрлі кезеңдерінде тірі қалу үшін марсоходтың маңызды құралдары -40°C-тан +40°C (-40°F-тан 104°F-қа дейін) температура диапазонында болуы керек. Түнде марсоходтар сегіз радиоизотопты жылытқыш құрылғысымен (РИЖҚ) жылытылады, олардың әрқайсысы радиоизотоптардың ыдырауынан 1 Вт жылу энергиясын үздіксіз өндіреді, сондай-ақ қажет болған жағдайда ғана жұмыс істейтін электрлік жылытқыштармен жабдықталған. Жылу оқшаулау үшін шашырылған алтын қабықшасы және кремний аэрогелінің қабаты қолданылады.

Байланыс

Роверде X жолақтың төмен сезімталдығы және X жолақтың жоғары сезімталдығы бар антенналар Жермен байланыс үшін, сондай-ақ релелік байланыс үшін арналған өте жоғары жиілікті монополь антеннасы бар. Төмен сезімталдығы бар антеннасы барлық бағытта жұмыс істейді және Жердегі Deep Space Network антенналарына төмен жылдамдықпен деректерді жібереді. Жоғары сезімталдығы бар антеннасы бағытталған және басқарылатын, ол Жерге деректерді жоғары жылдамдықпен жібере алады. Роверлер UHF монополын және оның CE505 радиосын Марстың айналасында айналатын ғарыш кемелерімен – Марс Одиссеясымен және (бұрынғысы бұзылғанша) Марс Глобал Зерттеушісімен байланысу үшін пайдаланады (оның Марс релелік антеннасы және Марс орбиталық камерасының 12 МБ жад буфері арқылы 7,6 терабайттан астам дерек жіберілді). MRO Марс орбитасына енгеннен бері, қондырғылар да оны релелік құрал ретінде пайдаланды. Қондырғыдан алынған деректердің көп бөлігі "Одиссей" және MRO арқылы Жерге жіберіледі. Орбиталық аппараттар роверден орбиталық аппаратқа дейінгі қашықтықтардың өте қысқа болуына байланысты Deep Space Network-тен әлдеқайда жоғары жылдамдықпен ровердің сигналдарын қабылдай алады. Орбиталық аппараттар одан кейін үлкен және қуатты антенналарын пайдаланып, ровердің деректерін Жерге жылдам жеткізеді.

Сынақ роверлері

Jet Propulsion Laboratory Марстағы жағдайларды сынау және модельдеу үшін Пасаденадағы жер беттік жүйелік сынақ орталықтарын (SSTB) қамтамасыз етеді. Бір сынақ ровері, SSTB1, шамамен салмағымен толық жабдықталған және Spirit пен Opportunity роверлеріне дерлік толық сәйкес келеді. Тағы бір сынақ нұсқасы, SSTB Lite, өлшемдері мен жүру қасиеттері жағынан бірдей, бірақ барлық құралдары жоқ. Оның салмағы Spirit пен Opportunity роверлерінің Марс планетасының азайған гравитациясындағы салмағына жақын. Бұл роверлер 2009 жылы Spirit роверінің жұмсақ топыраққа батып қалған жағдайын модельдеу үшін қолданылды.

Жазық жерлер

Гүсев кратері орбиталық суреттерде құрғақ көл төбесі сияқты көрінсе де, жер бетінен алынған байқаулар ішкі жазықтардың көбінесе қиыршықтармен толғанын көрсетеді. Гүсев жазығындағы тау жыныстары базальттың бір түрі. Олардың құрамында оливин, пироксен, плагиоклаз және магнетит минералдары бар, олар ұсақ түйіршікті және дұрыс емес тесіктерге ие болғандықтан жанартаулық базальтқа ұқсайды (геологтар оларды көпіршіктер мен қуыстар деп атайды). Жазықтықтағы топырақтың көп бөлігі жергілікті тау жыныстарының ыдырауынан пайда болған. Кейбір топырақтарда никельдің жоғары деңгейі табылды; бұл, әдетте, метеориттерден. Талдау көрсеткендей, тау жыныстары судың шамалы мөлшерімен өзгерген. Тау жыныстарының сыртқы қабықтары мен ішкі жарықтары судың минералдық қосылыстарын, мүмкін бром қосылыстарын жинағанын көрсетеді. Барлық тау жыныстары шаңмен жабылған және бір немесе бірнеше қатты қабаттармен қапталған. Бір түрлісін щеткамен сыпырып тастауға болады, ал екіншісін Rock Abrasion Tool (RAT) құралымен ұнтақтау қажет болды.

Шаң

Гусев кратеріндегі шаң планетаның барлық жеріндегі шаңмен ұқсас. Барлық шаң магниттік екені анықталды. Сонымен қатар, Spirit (Spirit) магнетизмнің магнетит минералына, әсіресе титан элементі бар магнетитке байланысты екенін анықтады. Бір магниттің өзі барлық шаңды толығымен бұра алды, сондықтан Марс шаңының бәрі магниттік деп есептеледі. Шаңның спектрі орбиталық спутниктер арқылы анықталған Тарсис және Арабия сияқты жарқын, төмен жылулық инерциясы бар аймақтардың спектрлерімен үйлеседі. Барлық беттерді бір миллиметрден де жуқа шаң қабаты жабады. Оның құрамында химиялық байланыстағы судың шамалы мөлшері бар.

Колумбия таулары

Ровердің жазықтардан Колумбия тауларына көтерілгенде, минералогия өзгерді. Ғалымдар Колумбия тауларында әртүрлі тау жыныстарын тапты және оларды алты топқа жіктеді. Олар: Кловис, Уишбон, Бейбітшілік, Күзет мұнарасы, Артта қалған және Тәуелсіздік. Олардың әрқайсысы әлдебір тау жынысының ерекшелігімен аталған. APXS өлшеуімен анықталған олардың химиялық құрамы бір-бірінен айқын ерекшеленеді. Ең маңыздысы, Колумбия тауларындағы барлық тау жыныстары сулы сұйықтықтардың әсерінен түрлі өзгерістерге ұшыраған. Олар фосфор, күкірт, хлор және бром элементтеріне бай, ал олардың барлығы су ерітінділерінде тасымалдануы мүмкін. Колумбия тауларының жыныстарында базальтты шыны, сонымен қатар оливин мен сульфаттар бар. Оливин мөлшері сульфаттардың мөлшеріне кері пропорционалды. Бұл күтілгендей, себебі су оливинды жояды, ал сульфаттардың түзілуіне көмектеседі. Кловис тобы ерекше қызығушылық тудырады, өйткені Мессбауэр спектрометрі (MB) оның құрамында гоетитті анықтады. Гоетит тек судың қатысуында ғана пайда болады, сондықтан оның табылуы Колумбия тауларының жыныстарында бұрынғы судың тікелей дәлелі болып табылады. Сонымен қатар, тау жыныстары мен жартастардың MB спектрлерінде оливиннің мөлшерінің айтарлықтай төмендегені байқалды. Оливин судың болмауының көрсеткіші, өйткені ол судың қатысуында оңай ыдырайды. Сульфаттар да табылды, олардың түзілуіне су қажет. Уишбон тобында көп мөлшерде плагиоклаз, біраз оливин және сусыз (сульфат) болды. Бейбітшілік тобының жыныстарында күкірт және байланысқан судың болуына күшті дәлелдер бар, сондықтан гидратталған сульфаттар күдікті. Күзет мұнарасы класындағы жыныстарда оливин жоқ, сондықтан олар судың әсерінен өзгерген болуы мүмкін. Тәуелсіздік класының жыныстарында саздың белгілері байқалды (мүмкін, смектит тобының мүшесі – монтмориллион). Саздың түзілуі үшін сумен ұзақ уақыт байланыс қажет. Колумбия тауларындағы Пасо-Роблес деген топырақтың бір түрінде күкірт, фосфор, кальций және темірдің көп мөлшері болғандықтан, ол булану қалдығы болуы мүмкін. MB сонымен қатар Пасо-Роблес топырағындағы темірдің көп бөлігі тотыққан, Fe3+ түрінде екенін анықтады. Алты жылдық миссияның ортасында (бастапқыда 90 күнге жоспарланған миссия) топырақта таза кремнийдің көп мөлшері табылды. Кремний жартаулық белсенділіктің нәтижесінде пайда болған қышқыл булармен топырақтың әрекеттесуінен немесе ыстық сулы ортадағы судан пайда болуы мүмкін. "Спирит" жұмысын тоқтатқаннан кейін ғалымдар "Миниатюрлі жылулық эмиссия спектрометрі" немесе "Мини ТЭС" деректерін зерттеді және карбонатқа бай тау жыныстарының көп мөлшерде бар екенін растады, яғни планетаның кейбір аймақтарында бұрын су болған болуы мүмкін. Карбонаттар "Команче" деп аталатын жартастардан табылды. "Спирит" Гусев жазығында жеңіл тозудың белгілерін тапты, бірақ көлдің болғанына ешқандай дәлел жоқ. Алайда, Колумбия тауларында сулы тозудың орташа деңгейде болуына нақты дәлелдер болды. Дәлелдерге сульфаттар және тек судың қатысуында ғана түзілетін минералдар – гоетит пен карбонаттар кірді. Гусев кратерінде бұрын көл болған болуы мүмкін, бірақ ол содан бері магмалық материалдармен жабылған. Барлық шаңда магниттік компонент бар, ол магнит және титаннан тұрады. Сонымен қатар, Марстың барлық бөліктерін жабатын жұқа шаң қабаты Марстың барлық жерінде бірдей.

Мүмкіндікті қону орны, Meridiani Planum

"Оппортьюнити" марсоходы Меридиани жазығындағы "Орлан" деп аталған кішкентай кратерге қонды. Қонған жердің жазықтарында көптеген кішкентай сфералар – шар тәрізді конгломераттар кездесті, ғылыми топ оларды "көкжидектер" деп атады. Олар бетте еркін жатыр, сонымен қатар тау жынысының ішіне енген күйінде де табылды. Бұл сфералардың құрамында гематит минералының жоғары концентрациясы бар екені анықталды және олар сулы ортада пайда болғандығын көрсетті. Кратер қабырғаларында ашылған қабатты тау жынысы шөгінді тау жынысы екенін көрсетеді, ал құрамы мен микроскопиялық талдау нәтижелері оның негізінен ярозиттен – темір сульфат минералынан тұратынын көрсетті. Ярозит тұзды көлдің немесе теңіздің булануынан қалған қалдық болып табылатын буланушы минерал. Миссия Марста бұрын судың болғанына мол дәлелдер ұсынды. "Су гипотезасын" зерттеуден өзге, "Оппортьюнити" астрономиялық байқаулар мен атмосфералық деректерді де жинады. Ұзартылған миссия роверді жазықтар арқылы оңтүстіктегі үлкен кратерлерге жеткізді, содан кейін қонғаннан кейін сегіз жыл өткен соң 25 км диаметрлі кратердің – Эндевор кратерінің жиегіне жетті. Бұл кратердің орбиталық спектроскопиясы филлосиликаттардың болуын көрсетті, бұл көне шөгінді қоршаулардың белгісі.