Проект Mars Geyser Hopper (MGH) был предложен в 2012 году в качестве эталонной миссии NASA для концепции космического корабля класса Discovery , который должен был исследовать весенние углекислые марсианские гейзеры, обнаруженные в регионах вокруг южного полюса Марса . [1] [2]
Энерготехнология, которую MGH предложил использовать, представляла собой усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга ( ASRG ). [3] NASA завершило проектирование ASRG и изготовило один испытательный образец устройства, но программа была завершена к середине 2010-х годов. [4] [5] Ни InSight, ни один из следующих полуфиналистов Discovery не используют ASRG или RTG из-за высокого спроса и ограниченного предложения типа плутония, на котором он основан. [6]
Программа Discovery была начата в 1990-х годах после обсуждений в NASA новой программы и осуществила такие миссии, как Genesis , Deep Impact и Kepler , среди прочих; это программа, для которой эта миссия была разработана, по крайней мере, изначально. [7]
Одним из первых беспилотных роботизированных космических аппаратов, совершивших прыжок, был лунный модуль Surveyor 6 , который успешно совершил мягкую посадку на Луну в 1967 году и совершил прыжок после посадки. [3] Еще одной возможной миссией с прыжком может стать спутник Сатурна Энцелад . [8] Прыгуны известны своей способностью потенциально посещать различные места посадки. [8] Еще одной миссией типа прыжка был Comet Hopper , который выиграл награду полуфиналиста Discovery за изучение прыжковой миссии к комете 46P/Wirtanen . [9]
В 2012 году высказывались предположения, что миссия Geyser Hopper может быть запущена после запуска марсианского посадочного модуля InSight . [10]
Миссия должна была стоить 350 миллионов долларов США и соответствовать лимиту затрат не более 425 миллионов долларов США, не включая стоимость запуска. Чтобы снизить стоимость и минимизировать риск, концепция космического корабля основана на предыдущей конструкции космического корабля, посадочном модуле Mars Phoenix , который имеет продемонстрированное летное наследие, включающее возможность мягкой посадки и включающее перезапускаемую ракетную двигательную установку, пригодную для повторного использования в соответствии с требованиями этой миссии. [2]
Космический аппарат должен был приземлиться в целевой зоне посадки около южного полюса Марса, где гейзеры существуют на протяжении нескольких сотен километров с плотностью не менее одного гейзера на каждые 1-2 километра (0,62-1,24 мили) и иметь возможность «прыгать» не менее двух раз с места посадки после летней посадки, чтобы переместиться поближе к месту гейзера и ждать всю зиму до первых солнечных лучей весной, чтобы своими глазами увидеть явление марсианского гейзера и исследовать структуру и канал обломков. [2]
Марсианские гейзеры не похожи ни на одно земное геологическое явление. Формы и необычный паукообразный вид этих образований стимулировали множество научных гипотез об их происхождении, начиная от различий в отражательной способности инея и заканчивая объяснениями, связанными с биологическими процессами. Однако все современные геофизические модели предполагают некую гейзероподобную активность. [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] Их характеристики и процесс формирования все еще являются предметом споров.
Сезонное замерзание и размораживание льда CO 2 приводит к появлению ряда особенностей, таких как темные пятна дюн с паукообразными бороздами или каналами подо льдом, [12] где паукообразные радиальные каналы вырезаны между землей и льдом, придавая ему вид паутины, затем давление, накапливающееся в их внутренней части, выбрасывает газ и темный базальтовый песок или пыль, которые оседают на поверхности льда и, таким образом, образуют темные пятна дюн. [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] Этот процесс быстрый, наблюдаемый в течение нескольких дней, недель или месяцев, скорость роста довольно необычна для геологии, особенно для Марса. [20]
Основная продолжительность миссии, начиная с запуска, составляет 30 месяцев, включая 8 месяцев межпланетного круиза, за которыми последует основная миссия продолжительностью 22 месяца (один марсианский год) на поверхности. Космический корабль войдет в атмосферу и совершит мягкую посадку с использованием ракетного двигателя в районе южного полюса, где, как известно, образуются гейзеры. Эта посадка произойдет во время полярного лета, когда поверхность свободна ото льда. Прогнозируемый эллипс посадки составляет 20 на 50 километров (12 миль × 31 миля), и, следовательно, посадка будет нацелена на регион, а не на конкретное местонахождение гейзера. Во время первой фазы после посадки он проведет научные операции по характеристике места посадки, чтобы понять поверхностную геологию области в течение летнего периода без льда. [1]
Затем космический аппарат уберет свои научные приборы и снова включит двигатели для первого прыжка на расстояние до 2 километров (1,2 мили). [2] Этот прыжок предназначен для размещения посадочного модуля в месте, где он сможет напрямую исследовать область гейзера, исследуя поверхность в месте, где был гейзер.
И снова космический аппарат уберет свои приборы и включит двигатели для второго прыжка на расстояние около 100 метров (330 футов). Этот прыжок доставит посадочный модуль на зимнюю площадку, место, выбранное на относительно большой высоте, где посадочный модуль может получить хороший обзор окрестностей, близко к известному гейзеру, но не на нем, и за пределами схемы выпадения ожидаемого шлейфа обломков. Космический аппарат будет характеризовать местную область в течение оставшегося солнечного света, а затем перейдет в «зимний режим». Посадочный модуль продолжит передавать данные о состоянии техники и метеорологические отчеты в течение зимы, но не будет проводить крупных научных операций. [1]
По прибытии полярной весны посадочный модуль будет изучать явление гейзера с места, выбранного для оптимального просмотра. Автоматизированное обнаружение гейзеров на борту космического корабля будет сканировать окружающую среду, хотя обычные изображения будут буферизироваться на космическом корабле, изображения не будут передаваться на Землю, пока космический корабль не обнаружит гейзер. Это запускает высокоскоростную съемку с высоким разрешением, включая характеристику движения частиц LIDAR и инфракрасную спектроскопию . Одновременно научные приборы будут проводить химический анализ любых частиц осадков, выброшенных на поверхность посадочного модуля. [2]
Гейзеры извергаются примерно по одному в день в пиковый весенний сезон. Если одновременно обнаружено более одного, алгоритм космического корабля сосредоточится на ближайшем или «лучшем». Посадочный модуль продолжит эту основную науку о гейзерах в течение примерно 90 дней. Ожидается, что в течение весенне-летнего сезона будут проведены десятки наблюдений за гейзерами. Расширенные операции миссии, если желательны, продолжат наблюдение в течение полного марсианского года и во второе марсианское лето. [2]
Концепция хоппера может также использоваться для исследовательских миссий, отличных от миссии по наблюдению за полярными гейзерами, обсуждаемой здесь. Возможность совершать множественные прыжки с использованием ракетного двигателя из исходного места посадки в интересующую научную область была бы ценной для широкого диапазона рельефа на Марсе, а также в других местах Солнечной системы, и продемонстрировала бы новую форму вездехода с возможностью пересекать гораздо более пересеченную местность, чем любые предыдущие миссии, концепция миссии, которая была бы применима для исследования многих планет и лун. [2]
Феномен гейзера происходит после длительного периода полной темноты, а сами гейзеры появляются в начале полярной весны, когда температура находится в диапазоне −150 °C (−238 °F), а угол наклона солнца составляет всего несколько градусов над горизонтом. Экстремальные условия, низкие углы наклона солнца во время появления гейзера и тот факт, что было бы желательно установить зонд задолго до появления гейзера, в период отсутствия солнечного света, делают эту среду сложной для использования солнечных батарей в качестве основного источника питания. Таким образом, это привлекательная миссия для использования усовершенствованного радиоизотопного генератора Стирлинга (ASRG) массой 126 килограммов (278 фунтов), включая литий-ионную батарею для использования во время входа/спуска/посадки (EDL), а также во время прыжков, когда есть кратковременная потребность в дополнительной энергии. [2] Однако разработка ASRG была отменена NASA в 2013 году. [21]
Прыжковая тяга основана на системе посадки Phoenix, использующей интегрированную систему продувки гидразинового монотоплива с 15 двигателями Aerojet MR-107N с Isp 230 сек для посадки и прыжка. ЭПР составляет четыре пары двигателей Aerojet MR-103D с Isp 215 сек и один двигатель Aerojet MR-102 с Isp 220 сек. [2] Система будет заправлена 191 кг топлива.
Посадочный модуль будет связываться с Землей через X-диапазон непосредственно на круизной палубе для транзита; затем он будет использовать антенну UHF . Визуализация и вся передача данных будут координироваться с группой операций Mars Reconnaissance Orbiter . [2]
Научные приборы включают стереокамеры (MastCam) для наблюдения за гейзерными событиями и роботизированную руку (от Phoenix) для копания под поверхностью почвы и сбора образцов почвы для химического анализа на Hopper. Включены световой детектор и дальномер ( LIDAR ), посадочная камера и тепловой спектрометр для дистанционного геологического анализа, а также зондирования погоды. [2]
