Введение

Миссия, включающая первый роботизированный ровер, работающий на Марсе (1997). Mars Pathfinder – первый ровер, работающий за пределами системы Земля-Луна. Запущенный 4 декабря 1996 года NASA на борту ракеты-носителя Delta II, спустя месяц после запуска Mars Global Surveyor, он совершил посадку 4 июля 1997 года в районе Ares Vallis на Марсе, в регионе Chryse Planitia, в квадрангле Oxia Palus. Затем посадочный модуль раскрылся, предоставив доступ к роверу, который выполнил множество экспериментов на поверхности Марса. Миссия несла на борту ряд научных приборов для анализа марсианской атмосферы, климата, геологии, а также состава горных пород и почвы. Это был второй проект в рамках программы NASA "Дискавери", направленной на использование недорогих космических аппаратов и частых запусков под девизом "дешевле, быстрее и лучше", продвигаемым тогдашним администратором Дэниелом Голдином. Миссией руководила Лаборатория реактивного движения (JPL), подразделение Калифорнийского технологического института, ответственное за программу исследования Марса NASA. Руководителем проекта был Тони Спир из JPL. Эта миссия стала первой в серии миссий на Марс с использованием роверов и первым успешным посадочным аппаратом после двух посадок аппаратов "Викинг" на Марс в 1976 году. Хотя Советский Союз успешно отправлял роверы на Луну в рамках программы "Луноход" в 1970-х годах, его попытки использовать роверы в своей марсианской программе оказались неудачными. Помимо научных целей, миссия Mars Pathfinder также служила "подтверждением концепции" для различных технологий, таких как посадка с использованием аэробаллистической системы амортизации и автоматическое обход препятствий, которые впоследствии были использованы в миссии Mars Exploration Rover. Mars Pathfinder также отличался чрезвычайно низкой стоимостью по сравнению с другими роботизированными космическими миссиями на Марс. Изначально миссия задумывалась как первая в рамках программы "Марсианское экологическое обследование" (MESUR).

Цели миссии

Чтобы доказать, что разработка космических аппаратов, которые были бы "быстрее, лучше и дешевле", возможна (с трехлетним сроком разработки, стоимостью менее 150 миллионов долларов для посадочного модуля и 25 миллионов долларов для марсохода). Чтобы показать, что можно доставить набор научных приборов на другую планету с помощью простой системы, при этом стоимость будет в пятнадцать раз ниже, чем у миссии "Викинг". (Для сравнения, миссии "Викинг" стоили 935 миллионов долларов в 1974 году или 3,5 миллиарда долларов в 1997 году). Чтобы продемонстрировать приверженность NASA планетарным исследованиям с низкими затратами, завершив миссию с общими расходами в 280 миллионов долларов, включая стоимость ракеты-носителя и проведения операций в ходе миссии.

Место высадки

Место посадки представляло собой древнюю пойму в северном полушарии Марса, называемую "Арес Валлис" ("долина Ареса", древнегреческий эквивалент древнеримского божества Марса), и является одной из самых каменистых областей на Марсе. Ученые выбрали это место, поскольку оно показалось им относительно безопасной площадкой для посадки и содержало большое разнообразие пород, отложенных в результате катастрофического наводнения. После успешной посадки, в , посадочный модуль был назван Мемориальной станцией Карла Сагана в честь астронома. (См. также Список внеземных мемориалов)

Вход, спуск и посадка

Марс Патфайндер вошел в атмосферу Марса и совершил посадку с использованием инновационной системы, включающей в себя входную капсулу, сверхзвуковой парашют, а затем твердотопливные ракеты и большие надувные подушки для смягчения удара. Марс Патфайндер напрямую вошел в атмосферу Марса в ретроградном направлении с гиперболической траектории, используя аэрооболочку (капсулу) для входа в атмосферу, разработанную на основе конструкции оригинального посадочного аппарата Viking Mars. Аэрооболочка состояла из задней оболочки и специально разработанного абляционного теплового щита для снижения скорости до высоты, на которой был надут сверхзвуковой дисковый парашют для замедления спуска через разреженную атмосферу Марса. Бортовой компьютер посадочного аппарата использовал резервные бортовые акселерометры для определения момента раскрытия парашюта. Через двадцать секунд тепловой щит был отделен пиротехническим способом. Еще через двадцать секунд посадочный аппарат был отделен от задней оболочки и опущен на стропах. Когда посадочный аппарат достиг высоты над поверхностью, бортовой компьютер использовал радар для определения высоты и скорости снижения. Эта информация использовалась компьютером для точного определения времени посадочных событий. Когда посадочный аппарат поднялся над землей, надувные подушки были надуты менее чем за секунду с помощью трех газогенераторов. Надувные подушки состояли из четырех взаимосвязанных многослойных вектранных мешков, окружающих тетраэдрический посадочный модуль. Они были спроектированы и испытаны для выдерживания ударов под скользящим углом до, однако, поскольку надувные подушки были рассчитаны на вертикальные удары не более чем, три твердотопливных тормозных ракеты были установлены над посадочным аппаратом в задней оболочке. Они были запущены на высоте над землей. Бортовой компьютер посадочного аппарата определил оптимальное время для запуска ракет и перерезания строп, чтобы снизить скорость посадочного аппарата примерно до нуля между и над поверхностью. Через 2,3 секунды, пока ракеты продолжали работать, посадочный аппарат перерезал стропы на высоте над землей и упал на землю. Ракеты вместе с задней оболочкой и парашютом взлетели вверх и в сторону (они были впоследствии зафиксированы на орбитальных снимках). Посадочный аппарат совершил столкновение, ограничив замедление до 18 G. Первый отскок был высотой и продолжалось как минимум 15 дополнительных отскоков (запись данных акселерометра не продолжалась на протяжении всех отскоков). Весь процесс входа в атмосферу, спуска и посадки был завершен за четыре минуты. Когда посадочный аппарат перестал катиться, надувные подушки сдулись и втянулись к посадочному аппарату с помощью четырех лебедок, установленных на "лепестках" посадочного аппарата. Спроектированный для самовыравнивания из любой начальной ориентации, посадочный аппарат случайно перевернулся на основание лепестка. Через 87 минут после посадки лепестки были развернуты вместе с марсоходом Соджурнер и солнечными панелями, прикрепленными внутри.

Развертывание Sojourner

Ровер "Соджурнер" отделился от посадочного модуля на Сол 2 после посадки 4 июля 1997 года. По мере прохождения следующих солов он приблизился к нескольким скалам, которые ученые назвали "Барнакл Билл", "Йоги" и "Скуби Ду" в честь известных персонажей мультфильмов. Ровер проводил измерения элементов, содержащихся в этих породах и в марсианском грунте, а посадочный модуль фотографировал "Соджурнер" и окружающий ландшафт, а также осуществлял наблюдения за климатом. "Соджурнер" – шестиколесный аппарат, длиной, шириной, высотой и весом. Его максимальная скорость достигала. "Соджурнер" проехал в общей сложности примерно, но никогда не удалялся более чем от станции "Патфайндер". За 83 сол своей работы он передал на Землю 550 фотографий и проанализировал химический состав 16 точек вблизи посадочного модуля. (См. также роверы для исследования космоса)

Анализ пород сохоронцев

Первый анализ камня начался на Сол 3 с образца "Барнакл Билл". Для определения его состава использовался рентгеновский спектрометр альфа-частиц (APXS), на полное сканирование образца потребовалось десять часов. Были обнаружены все элементы, кроме водорода, который составляет лишь 0,1 процента массы камня или почвы. APXS работает, облучая камни и образцы почвы альфа-частицами (ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов). Результаты показали, что "Барнакл Билл" очень похож на земные андезиты, что подтверждает прошлую вулканическую активность. Обнаружение андезитов указывает на то, что некоторые марсианские породы были переплавлены и переработаны. На Земле андезит образуется, когда магма задерживается в карманах скальной породы, а часть железа и магния оседает. Следовательно, конечная порода содержит меньше железа и магния и больше кремнезёма. Вулканические породы обычно классифицируются путем сравнения относительного содержания щелочей (Na2O и K2O) и кремнезёма (SiO2). Андизит отличается от пород, найденных в метеоритах с Марса. Повторный анализ камня "Йоги" с помощью APXS показал, что это базальтовая порода, более примитивная, чем "Барнакл Билл". Форма и текстура "Йоги" указывают на то, что она, вероятно, была отложена потоком. На другом камне, названном "Мо", были обнаружены определенные отметины, свидетельствующие об эрозии, вызванной ветром. Большинство проанализированных камней показали высокое содержание кремния. В другом регионе, известном как "Рок-Гарден", "Соджурнер" обнаружил дюны в форме полумесяца, подобные серповидным дюнам на Земле. К моменту публикации окончательных результатов миссии в серии статей в журнале Science (5 декабря 1997 года) предполагалось, что камень "Йоги" покрыт пылью, но в остальном похож на "Барнакл Билл". Расчеты показывают, что оба камня в основном состоят из минералов ортопироксен (силикат железа и магния), полевые шпаты (силикаты алюминия калия, натрия и кальция) и кварц (диоксид кремния), а также в меньших количествах магнетита, ильменита, сульфида железа и фосфата кальция. Центральный процессор Intel 80C85 с 512 КБ оперативной памяти и 176 КБ твердотельной флэш-памяти, работающий под управлением циклического исполнительного механизма. Компьютер посадочного модуля "Патфайндер" представлял собой радиационно-стойкий процессор IBM Risc 6000 Single Chip (Rad6000 SC) с 128 МБ оперативной памяти и 6 МБ энергонезависимой ПЗУ, а его операционной системой была VxWorks. Миссии угрожала одновременная ошибка в программном обеспечении посадочного модуля, обнаруженная в ходе предполётных испытаний, но расцененная как незначительный сбой и получившая низкий приоритет, поскольку возникала только в определенных непредвиденных условиях высокой нагрузки, а основное внимание уделялось проверке кода входа в атмосферу и посадки. Проблема, которая была воспроизведена и исправлена с Земли с использованием лабораторного дубликата благодаря функциям регистрации и отладки, реализованным в бортовом программном обеспечении, была вызвана перезагрузками компьютера из-за инверсии приоритетов. После перезагрузки компьютера научные и инженерные данные не терялись, но все последующие операции прерывались до следующего дня. Во время миссии произошло четыре перезагрузки (5, 10, 11 и 14 июля), прежде чем 21 июля было применено исправление программного обеспечения для обеспечения наследования приоритетов.

Результаты от Pathfinder

Ландер передал более 2,3 миллиарда бит (287,5 мегабайт) информации, включая 16 500 изображений, и выполнил 8,5 миллиона измерений атмосферного давления, температуры и скорости ветра. Получая множество снимков неба на разных расстояниях от Солнца, ученые установили, что размер частиц в розовом мареве составлял около одного микрометра в радиусе. Цвет некоторых грунтов был схож с цветом фазы оксигидроксида железа, что подтверждает теорию о более теплом и влажном климате в прошлом. "Патфайндер" нес серию магнитов для изучения магнитной составляющей пыли. В конечном итоге, все магниты, кроме одного, покрылись пылью. Поскольку самый слабый магнит не притягивал грунт, было сделано заключение, что взвешенная в воздухе пыль не содержит чистого магнетита или только один тип маггемита. Вероятно, пыль представляла собой агрегат, возможно, сцементированный оксидом железа (Fe2O3). Используя гораздо более совершенное оборудование, марсоход "Спирит" обнаружил, что магнетит может объяснить магнитные свойства пыли и грунта на Марсе. Магнетит был найден в грунте, а наиболее магнитная его часть была темной. Магнетит имеет очень темный цвет. Используя доплеровское сопровождение и двустороннюю радиолокацию, ученые сопоставили более ранние измерения, полученные посадочными аппаратами "Викинг", чтобы определить, что негидростатическая составляющая полярного момента инерции обусловлена выпуклостью Тарсис, а внутренние области не находятся в расплавленном состоянии. Радиус центрального металлического ядра составляет от … до … километров.

Конец миссии

Хотя миссия планировалась на срок от недели до месяца, марсоход успешно функционировал почти три месяца. Связь была потеряна после 7 октября. Уже в первый месяц миссия превзошла поставленные цели. В январе 2007 года Марсианский разведывательный орбитальный аппарат обнаружил посадочный модуль Pathfinder (см. фото).

Название марсохода

Имя "Соджурнер" было выбрано для марсохода "Марс Патфайндер", когда 12-летняя Валери Амбройз из Бриджпорта, штат Коннектикут, выиграла годовой международный конкурс, в котором учащимся до 18 лет было предложено выбрать героиню и написать эссе о её исторических заслугах. Участникам было предложено описать в своих эссе, как планетарный ровер, названный в честь их героини, мог бы воплотить эти заслуги в марсианской среде. Конкурс, начатый в марте 1994 года Планетарным обществом из Пасадены, штат Калифорния, в сотрудничестве с Лабораторией реактивного движения НАСА (JPL), был объявлен в январском выпуске журнала Национальной ассоциации учителей естественных наук "Science and Children" за 1995 год, который был распространен среди 20 000 учителей и школ по всей стране. Эссе Валери Амбройз, в котором предлагалось назвать ровер в честь активистки за права женщин XIX века Соджорнер Трут, было выбрано из 3500 работ. Первым финалистом стала 18-летняя Дипти Рохатги из Роквилла, штат Мэриленд, предложившая имя учёного Мари Кюри. Вторым финалистом стал 15-летний Адам Шиди из Раунд-Рока, штат Техас, который предложил имя погибшей в 1986 году в катастрофе космического шаттла "Челленджер" астронавтки Джудит Ресник. Среди других популярных предложений были имя исследователя и проводника Сакаджевеи и летчицы Амелии Эрхарт.

В популярной культуре

В начальной заставке телесериала «Звёздный путь: Энтерпрайз» показаны кадры аппарата «Соджорнер» на поверхности Марса, перемежающиеся с другими изображениями, символизирующими эволюцию человечества в области воздухоплавания и космических полётов. В фильме 2000 года «Красная планета» астронавты, оказавшиеся в беде на Марсе, собирают из деталей «Патфайндера» самодельное радио и используют его для связи со своим космическим кораблём. В романе Энди Уэйра «Марсианин» 2011 года и его экранизации 2015 года главный герой, Марк Уотни, оставшийся один на Марсе, отправляется к давно неработающему аппарату «Патфайндер» (в романе он отмечает «Двойные вершины» как ориентир) и возвращает его на базу, чтобы попытаться связаться с Землёй.