Введение
Миссия NASA по исследованию Марса с помощью двух марсоходов
Миссия NASA Mars Exploration Rover (MER) была роботизированной космической миссией, в которой участвовали два марсохода, Spirit и Opportunity, для исследования планеты Марс. Она началась в 2003 году с запуска двух роверов для изучения поверхности и геологии Марса; оба совершили посадку на Марс в разных местах в январе 2004 года. Оба марсохода значительно превысили запланированную продолжительность своих миссий – 90 марсианских солов: MER A Spirit функционировал до 22 марта 2010 года, а MER B Opportunity – до 10 июня 2018 года.
Этап круиза
Круизный этап – это компонент космического аппарата, используемый для перелета с Земли на Марс. По конструкции он очень похож на Mars Pathfinder и имеет диаметр и высоту около 2,65 метра, включая спускаемый аппарат (см. ниже). Основная конструкция выполнена из алюминия с внешним кольцом ребер, покрытых солнечными панелями, диаметр которых составляет около [укажите диаметр, отсутствующий в оригинале]. Солнечные батареи, разделенные на пять секций, могут обеспечивать до 600 Вт мощности вблизи Земли и 300 Вт на Марсе. Нагреватели и многослойная теплоизоляция поддерживают рабочую температуру электроники. Фреоновая система отводит тепло от бортового компьютера и аппаратуры связи внутри марсохода, предотвращая их перегрев. Системы круизной авионики обеспечивают взаимодействие бортового компьютера с другими электронными компонентами, такими как датчики Солнца, звездный сканер и нагреватели.
Сообщение
Космический аппарат использовал высокочастотную полосу X для связи, что позволяло использовать меньшую мощность и антенны меньшего размера, чем у многих более старых аппаратов, работавших в S-диапазоне. Навигаторы отправляли команды через две антенны на переходном этапе: антенну с низким коэффициентом усиления, установленную внутри внутреннего кольца, и антенну со средним коэффициентом усиления во внешнем кольце. Антенна с низким коэффициентом усиления использовалась вблизи Земли. Она всенаправленная, поэтому мощность передатчика, достигающая Земли, уменьшалась быстрее с увеличением расстояния. По мере приближения аппарата к Марсу, Солнце и Земля сближались на небе с точки зрения аппарата, что приводило к уменьшению энергии, достигающей Земли. Затем аппарат переключился на антенну со средним коэффициентом усиления, которая направляла ту же мощность передачи в более узкий луч в сторону Земли. Во время полета аппарат был стабилизирован вращением со скоростью два оборота в минуту. Периодические корректировки поддерживали ориентацию антенн на Землю, а солнечных панелей – на Солнце.
Ландер
Космический спускаемый аппарат — это защитная оболочка, в которой находится марсоход, и вместе с надувными амортизаторами он защищает его от ударных нагрузок. Аппарат имеет форму тетраэдра, стороны которого раскрываются подобно лепесткам. Он прочный и легкий, изготовлен из балок и листов обшивки. Балки состоят из слоев графитового волокна, сплетенного в ткань, которая легче алюминия и прочнее стали. Титановые элементы крепления приклеены и установлены на балках, что позволяет соединять их болтами. Марсоход удерживался внутри спускаемого аппарата болтами и специальными гайками, которые были отсоединены после посадки с помощью небольших взрывных устройств.
Поправка
После того как посадочный модуль перестал подпрыгивать и катиться по поверхности, он остановился на основании тетраэдра или на одной из его граней. Затем грани раскрылись, чтобы сделать основание горизонтальным, а марсоход – вертикальным. Грани соединены с основанием шарнирами, каждый из которых оснащен двигателем, достаточно мощным, чтобы поднять посадочный модуль. Масса марсохода вместе с посадочным модулем составляет около… Масса только марсохода составляет около… Гравитация на Марсе составляет примерно 38% от земной, поэтому двигатель не требует такой мощности, как на Земле. Марсоход оснащен акселерометрами для определения направления вниз (к поверхности Марса) путем измерения силы тяжести. Затем компьютер марсохода отдал команду раскрыть нужную грань посадочного модуля, чтобы установить марсоход в вертикальное положение. После того, как основная грань опустилась, а марсоход встал вертикально, были раскрыты остальные две грани. Изначально грани раскрывались в одинаково плоское положение, поэтому все стороны посадочного модуля стали прямыми и ровными. Двигатели граней достаточно мощные, чтобы, если две грани опираются на камни, основание с марсоходом удерживалось на месте, как мост над поверхностью. Основание останется на одном уровне, даже если грани, опирающиеся на камни, будут находиться на разной высоте, создавая ровную плоскую поверхность по всей длине раскрытого, расплющенного посадочного модуля. На Земле команда управления полетом могла отправлять команды марсоходу для регулировки граней и создания безопасного пути для съезда марсохода с посадочного модуля на поверхность Марса, избегая перепада с крутого камня.
Перемещение полезной нагрузки на Марс
Перемещение марсохода с посадочного модуля называется фазой схода с посадочного аппарата. Марсоход должен избегать застревания колес в материале аэротормозов или падения с крутого склона. Для этого система втягивания на лепестках медленно притягивает аэротормоза к посадочному модулю перед раскрытием лепестков. Небольшие рампы на лепестках раскрываются веером, заполняя пространство между ними. Они перекрывают неровную местность, скальные препятствия и материал аэротормозов, формируя круглую площадку, с которой марсоход может начать движение в разных направлениях. Они также уменьшают высоту порога, который марсоходу необходимо преодолеть. Их прозвали "крыльями летучей мыши", и они изготовлены из ткани Vectran. На втягивание аэротормозов и развертывание лепестков посадочного модуля было отведено около трех часов.
Конструкция ровера
Роверы – это шестиколесные роботы, работающие на солнечной энергии, высотой, шириной и длиной. Они весят, из которых на колеса и систему подвески приходится. Основной корпус в виде коробки формирует блок теплой электроники (WEB).
Приводная система
Каждый марсоход оснащен шестью алюминиевыми колесами, установленными на систему подвески типа "качающаяся тележка", аналогичную системе, использованной на Sojourner, что обеспечивает сохранение контакта колес с поверхностью при движении по пересеченной местности. Эта конструкция уменьшает диапазон перемещения корпуса марсохода вдвое и позволяет ему преодолевать препятствия или проезжать через углубления (воронки) размером более диаметра колеса. Колеса марсохода имеют встроенные упругие элементы, обеспечивающие амортизацию при движении. Кроме того, на колесах имеются грунтозацепы для обеспечения сцепления при движении по мягкому песку и преодолении скалистых участков. Каждое колесо имеет собственный приводной двигатель. Два передних и два задних колеса оснащены отдельными рулевыми двигателями. Это позволяет транспортному средству поворачиваться на месте, совершать полный оборот, а также маневрировать и описывать дуги. Двигатели для марсоходов разработаны швейцарской компанией Maxon Motor. Конструкция марсохода позволяет ему сохранять устойчивость при наклоне до 45 градусов в любом направлении. Однако, благодаря "лимитам защиты от сбоев" в программном обеспечении предотвращения опасностей, марсоход запрограммирован избегать наклонов более 30 градусов. Каждый марсоход может вращать одно из передних колес на месте, чтобы углубляться в грунт. При этом он остается неподвижным, пока вращается копающее колесо. Максимальная скорость марсоходов на ровной твердой поверхности составляет 50 мм/с. Средняя скорость составляет 10 мм/с, поскольку его программное обеспечение предотвращения опасностей заставляет его останавливаться каждые 10 секунд на 20 секунд для анализа и оценки местности.
Энергетические и электронные системы
При полном освещении солнечные батареи марсохода, состоящие из тройных переходов, генерируют около 140 Вт в течение до четырех часов в марсианский день (солнце). Для движения ровера требуется около 100 Вт. Его энергетическая система включает в себя две перезаряжаемые литий-ионные батареи, каждая из которых весит, обеспечивающие энергией, когда солнце не светит, особенно ночью. Со временем батареи будут деградировать и не смогут заряжаться до полной емкости. Предполагалось, что к концу 90-го сол миссии способность солнечных батарей генерировать энергию, вероятно, снизится примерно до 50 Вт. Это было связано с ожидаемым покрытием солнечных панелей пылью и изменением сезона. Однако, более чем через три земных года, энергоснабжение роверов колебалось от 300 до 900 ватт-часов в день, в зависимости от степени покрытия пылью. События очистки (удаление пыли ветром) происходили чаще, чем ожидалось в NASA, поддерживая массивы относительно свободными от пыли и продлевая срок службы миссии. Во время глобальной пылевой бури на Марсе в 2007 году оба ровера испытали одну из самых низких мощностей за всю миссию; Opportunity опустился до 128 ватт-часов. В ноябре 2008 года Spirit превзошел этот рекорд минимальной энергии, выработав 89 ватт-часов из-за пылевых бурь в районе кратера Гусева. Роверы работают под управлением встроенной операционной системы VxWorks на радиационно-защищенном 20 МГц процессоре RAD6000 с 128 МБ DRAM с обнаружением и исправлением ошибок и 3 МБ EEPROM. Каждый ровер также оснащен 256 МБ флэш-памяти. Для выживания на различных этапах миссии жизненно важные инструменты марсохода должны оставаться в температурном диапазоне от -40 °C до +40 °C (-40 °F до 104 °F). Ночью роверы нагреваются восемью радиоизотопными нагревателями (RHU), каждый из которых непрерывно генерирует 1 Вт тепловой энергии за счет распада радиоизотопов, а также электрическими нагревателями, которые включаются только при необходимости. Для теплоизоляции используется распыленное золотое покрытие и слой аэрогеля на основе диоксида кремния.
Сообщение
Ровер оснащен антенной с низким коэффициентом усиления в X-диапазоне и антенной с высоким коэффициентом усиления в X-диапазоне для связи с Землей и обратно, а также ультравысокочастотной монопольной антенной для ретрансляционной связи. Антенна с низким коэффициентом усиления всенаправленная и передает данные с низкой скоростью на антенны сети дальнего космоса (Deep Space Network) на Земле. Антенна с высоким коэффициентом усиления направленная и управляемая, что позволяет передавать данные на Землю с более высокой скоростью. Роверы используют УВЧ-монополь и радиостанцию CE505 для связи с космическими аппаратами, находящимися на орбите Марса, – Mars Odyssey и (до его выхода из строя) Mars Global Surveyor (через эту антенну Mars Relay и буфер памяти камеры Mars Orbiter Camera объемом 12 МБ было передано уже более 7,6 терабайт данных). После выхода MRO на орбиту вокруг Марса, посадочные модули также стали использовать его в качестве ретранслятора. Большая часть данных с посадочных модулей передается на Землю через Odyssey и MRO. Орбитальные аппараты могут принимать сигналы от роверов с гораздо более высокой скоростью передачи данных, чем сеть дальнего космоса, благодаря значительно меньшему расстоянию между ровером и орбитальным аппаратом. Затем орбитальные аппараты быстро ретранслируют данные ровера на Землю, используя свои большие и мощные антенны.
Испытательные роверы
Лаборатория реактивного движения поддерживает пару роверов, поверхностных испытательных стендов (SSTB) в своем расположении в Пасадене для тестирования и моделирования ситуаций на Марсе. Один из тестовых роверов, SSTB1, весом около [укажите вес], полностью оснащен приборами и почти идентичен Spirit и Opportunity. Другая тестовая версия, SSTB Lite, идентична по размеру и характеристикам движения, но не включает в себя все приборы. Он весит [укажите вес], что гораздо ближе к весу Spirit и Opportunity в условиях пониженной гравитации Марса. Эти роверы использовались в 2009 году для симуляции инцидента, когда Spirit застрял в рыхлой почве.
Равнины
Хотя кратер Гусева на орбитальных снимках выглядит как высохшее дно озера, наблюдения с поверхности показывают, что внутренние равнины в основном заполнены обломками и осыпью. Скалы на равнинах Гусева представляют собой разновидность базальта. Они содержат минералы оливин, пироксен, плагиоклаз и магнетит и выглядят как вулканический базальт, поскольку имеют мелкозернистую структуру с неровными порами (геологи назвали бы их везикулами и воггами). Большая часть почвы на равнинах образовалась в результате разрушения местных пород. В некоторых почвах обнаружены относительно высокие концентрации никеля, вероятно, из-за метеоритов. Анализ показал, что породы подверглись незначительным изменениям под воздействием небольшого количества воды. Наружные покрытия и трещины внутри пород указывают на отложения минералов, возможно, соединений брома. Все породы покрыты тонким слоем пыли и одной или несколькими более твердыми корками. Один тип корки можно удалить, соскоблив, а другой потребовалось отшлифовать с помощью инструмента для абразивной обработки пород (Rock Abrasion Tool, RAT).
Пыль
Пыль в кратере Гусева идентична пыли по всей планете. Вся пыль оказалась магнитной. Более того, "Спирит" обнаружил, что магнетизм обусловлен минералом магнетитом, особенно магнетитом, содержащим титан. Один магнит смог полностью отклонить всю пыль, поэтому считается, что вся марсианская пыль обладает магнитными свойствами. Спектры пыли были схожи со спектрами ярких областей с низкой тепловой инерцией, таких как Тарсис и Арабия, обнаруженных с помощью орбитальных спутников. Все поверхности покрыты тонким слоем пыли, толщина которого, возможно, составляет менее одного миллиметра. В составе пыли содержится небольшое количество химически связанной воды.
Колумбийские холмы
Когда марсоход поднялся над равнинами на Колумбийские холмы, минералогический состав местности изменился. Ученые обнаружили в Колумбийских холмах различные типы горных пород и разделили их на шесть категорий: Кловис, Уишбоун, Мир, Сторожевая башня, Бэкстей и Индепенденс. Они названы в честь характерной скалы в каждой группе. Их химический состав, измеренный при помощи APXS, значительно различается. Самое важное, что все породы в Колумбийских холмах демонстрируют различные степени изменения под воздействием водных растворов. Они обогащены элементами фосфором, серой, хлором и бромом – все они могут переноситься в водных растворах. В скалах Колумбийских холмов содержится базальтовое стекло, а также переменное количество оливина и сульфатов. Содержание оливина обратно пропорционально количеству сульфатов, что и следовало ожидать, поскольку вода разрушает оливин, но способствует образованию сульфатов. Особый интерес представляет группа Кловис, поскольку спектрометр Мёссбауэра (MB) обнаружил в ней гоетит. Гетет образуется только в присутствии воды, поэтому его обнаружение – первое прямое свидетельство существования воды в прошлом в скалах Колумбийских холмов. Кроме того, спектры MB скал и выступов показали значительное снижение содержания оливина, который является индикатором отсутствия воды, поскольку он легко разлагается в ее присутствии. Обнаружены сульфаты, для образования которых необходима вода. В породах Уишбоун содержится большое количество плагиоклаза, некоторое количество оливина и ангидрит (сульфат). В породах Мира обнаружена сера и сильные признаки связанной воды, поэтому предполагается наличие гидратированных сульфатов. В породах класса "Сторожевая башня" отсутствует оливин, следовательно, они могли быть изменены водой. В породах класса "Индепенденс" обнаружены признаки глины (возможно, монтмориллонита, относящегося к группе смектитов). Для образования глины требуется длительное воздействие воды. Один из типов почвы, названный Пасо-Роблес, из Колумбийских холмов, может быть результатом испарения, поскольку содержит большое количество серы, фосфора, кальция и железа. Кроме того, MB показала, что большая часть железа в почве Пасо-Роблес находится в окисленной форме Fe3+. К середине шестилетней миссии (которая изначально планировалась на 90 дней) в почве было обнаружено большое количество чистого кремнезема. Этот кремнезем мог образоваться в результате взаимодействия почвы с кислотными парами, образующимися при вулканической активности в присутствии воды, или из воды в гидротермальных источниках. После прекращения работы "Спирита" ученые изучили старые данные, полученные с помощью миниатюрного теплового эмиссионного спектрометра (Mini-TES), и подтвердили наличие большого количества карбонатных пород, что указывает на то, что в некоторых регионах планеты когда-то могла существовать вода. Карбонаты были обнаружены в скальном выступе, названном "Команч". "Спирит" обнаружил признаки незначительного выветривания на равнинах Гусева, но не обнаружил признаков существования озера. Однако в Колумбийских холмах были обнаружены явные признаки умеренного водного выветривания. Доказательствами служили сульфаты и минералы гоетит и карбонаты, которые образуются только в присутствии воды. Считается, что в кратере Гусев когда-то могло быть озеро, но впоследствии оно было покрыто эффузивными породами. Вся пыль содержит магнитный компонент, идентифицированный как магнетит с некоторым содержанием титана. Кроме того, тонкий слой пыли, покрывающий всю поверхность Марса, одинаков во всех его частях.
Место высадки "Оппортунити Лэндинг", Meridiani Planum
Ровер "Оппортьюнити" совершил посадку в небольшом кратере, получившем название "Орёл", на равнинах Меридиани. Равнины в районе посадки характеризовались обилием мелких сферических конкреций, которые научная группа прозвала "голубиками". Эти образования были обнаружены как в свободном состоянии на поверхности, так и в составе горных пород. Анализ показал высокое содержание минерала гематита, что свидетельствовало об их формировании в водной среде. Слоистые горные породы, обнаженные в стенках кратера, имели признаки осадочного происхождения. Композиционный и микроскопический анализ выявил, что они преимущественно состоят из ярозита – минерала, представляющего собой железосульфат и являющегося типичным испаритом, остатком испарения солёного пруда или моря. Миссия предоставила веские доказательства существования воды на Марсе в прошлом. Помимо изучения "водной гипотезы", "Оппортьюнити" также проводил астрономические наблюдения и собирал данные об атмосфере. В рамках расширенной миссии ровер пересек равнины и достиг ряда крупных кратеров в южной части, прибыв к краю кратера Эндевор диаметром 25 км спустя восемь лет после посадки. Орбитальная спектроскопия ободка этого кратера выявила признаки филлосиликатных пород, указывающих на более древние осадочные отложения.