Mars Pathfinder [1] — американский роботизированный космический аппарат , который в 1997 году высадил на Марсе базовую станцию с передвижным зондом . Он состоял из посадочного модуля , переименованного в Мемориальную станцию Карла Сагана , и легкого, 10,6 кг (23 фунта) колесного роботизированного марсохода под названием Sojourner [4] ,первого марсохода, работавшего за пределами системы Земля–Луна.
Запущенный 4 декабря 1996 года НАСА на борту ускорителя Delta II через месяц после Mars Global Surveyor , он приземлился 4 июля 1997 года на марсианской Долине Ареса , в регионе под названием Chryse Planitia в четырехугольнике Oxia Palus . Затем посадочный модуль открылся, обнажив марсоход, который провел множество экспериментов на поверхности Марса. Миссия несла ряд научных инструментов для анализа марсианской атмосферы , климата , геологии и состава его пород и почвы. Это был второй проект Программы NASA Discovery , которая продвигает использование недорогих космических аппаратов и частые запуски под девизом «дешевле, быстрее и лучше», продвигаемым тогдашним администратором Дэниелом Голдином . Миссия была направлена Лабораторией реактивного движения (JPL), подразделением Калифорнийского технологического института , ответственным за Программу исследования Марса НАСА . Руководителем проекта был Тони Спир из JPL .
Эта миссия была первой из серии миссий на Марс, в которых использовались марсоходы, и первой успешной посадкой с тех пор, как в 1976 году на Марс высадились два «Викинга» . Хотя Советский Союз успешно отправил марсоходы на Луну в рамках программы «Луноход» в 1970-х годах, его попытки использовать марсоходы в своей марсианской программе потерпели неудачу.
Помимо научных целей, миссия Mars Pathfinder также была «доказательством концепции» различных технологий, таких как приземление с помощью подушек безопасности и автоматизированное уклонение от препятствий, которые позже были использованы миссией Mars Exploration Rover . Mars Pathfinder также отличался чрезвычайно низкой стоимостью по сравнению с другими роботизированными космическими миссиями на Марс. Первоначально миссия была задумана как первая в программе Mars Environmental Survey (MESUR). [5]
Mars Pathfinder провел различные исследования на марсианской почве с использованием трех научных инструментов. Посадочный модуль содержал стереоскопическую камеру с пространственными фильтрами на выдвижном шесте под названием Imager for Mars Pathfinder (IMP) [8] [9] и Atmospheric Structure Instrument/Meteorology Package (ASI/MET) [10] , который действовал как марсианская метеорологическая станция, собирая данные о давлении, температуре и ветрах. Структура MET включала три ветроуказателя, установленных на трех высотах на шесте, самый верхний на высоте около одного метра (3,3 фута) и в основном регистрировал ветры с запада. [11]
На марсоходе Sojourner был установлен рентгеновский спектрометр Alpha Proton ( APXS ), [12], который использовался для анализа компонентов горных пород и почвы. На марсоходе также были две черно-белые камеры и одна цветная. Эти приборы могли исследовать геологию марсианской поверхности от нескольких миллиметров до многих сотен метров, геохимию и историю эволюции горных пород и поверхности, магнитные и механические свойства земли, а также магнитные свойства пыли, атмосферы и вращательной и орбитальной динамики планеты.
Марсоход был оснащен тремя ПЗС- камерами, все произведенными компанией Eastman Kodak Company и управляемыми центральным процессором марсохода. Две фронтальные монохромные камеры служили для навигационных целей и были соединены с пятью лазерными полосовыми проекторами для стереоскопического обнаружения опасностей. Эти фронтальные камеры имели разрешение 484 вертикальных на 768 горизонтальных пикселей и оптическое разрешение, позволяющее различать детали размером до 0,6 см (0,24 дюйма) в диапазоне 0,65 м (26 дюймов). Изображения с этих камер можно было сжимать с помощью алгоритма кодирования с усечением блоков (BTC).
Третья камера, расположенная сзади около APXS, использовалась для цветной съемки. Она разделяла разрешение передних камер, но была повернута на 90 градусов, чтобы захватывать изображения как целевой области APXS, так и следов марсохода. Эта задняя камера имела блок 4x4 пикселя с определенной цветовой чувствительностью: 12 пикселей для зеленого, два для красного и два для инфракрасного . Все камеры использовали линзы из селенида цинка , который блокирует длины волн света ниже 500 нм; в результате синие/инфракрасные пиксели эффективно обнаруживали только инфракрасный свет. Каждая камера имела функции автоматической экспозиции и обработки плохих пикселей. Параметры изображения, такие как время экспозиции и настройки сжатия, были включены в заголовки передаваемых изображений. Если бы на задней камере использовалось сжатие BTC, цветовую информацию необходимо было бы отбросить. [13]
IMP имел набор фильтров, предназначенных для записи поверхностных и атмосферных явлений. Было две камеры, или глаза, позволяющие делать стереоскопические изображения , с набором фильтров, немного отличающимся между ними. [16] [17] [18]
ASI/MET регистрировал данные о температуре, давлении и ветре во время входа и спуска, а также на поверхности. [16] Он также размещал электронику для работы датчиков и записи данных. [16]
Местом посадки была древняя пойма в северном полушарии Марса, называемая « Ares Vallis » («долина Ареса», древнегреческий эквивалент древнеримского божества Марса), и она является одной из самых скалистых частей Марса. Ученые выбрали ее, потому что обнаружили, что это относительно безопасная поверхность для посадки, и она содержала большое разнообразие камней, отложившихся во время катастрофического наводнения. После того, как посадка в точке с координатами 19°08′N 33°13′W / 19.13°N 33.22°W / 19.13; -33.22 , [20] прошла успешно, посадочный модуль получил название « Мемориальная станция Карла Сагана» в честь астронома . [21] (См. также Список внеземных мемориалов )
Mars Pathfinder вошел в атмосферу Марса и приземлился с помощью инновационной системы, включающей спускаемый аппарат, сверхзвуковой парашют , а также твердотопливные ракетные двигатели и большие воздушные подушки для смягчения удара.
Mars Pathfinder напрямую вошел в атмосферу Марса в ретроградном направлении с гиперболической траектории на скорости 6,1 км/с (14 000 миль/ч) с помощью атмосферной входной аэрооболочки (капсулы), которая была разработана на основе оригинальной конструкции марсианского посадочного модуля Viking. Аэрооболочка состояла из задней оболочки и специально разработанного абляционного теплозащитного экрана для замедления до 370 м/с (830 миль/ч), где сверхзвуковой дисковый парашют с зазором был надут для замедления его спуска через тонкую марсианскую атмосферу до 68 м/с (150 миль/ч). Бортовой компьютер посадочного модуля использовал избыточные бортовые акселерометры для определения времени наполнения парашюта. Двадцать секунд спустя теплозащитный экран был пиротехническим образом сброшен. Еще двадцать секунд спустя посадочный модуль был отделен и опущен с задней оболочки на 20-метровой (66-футовой) уздечке. Когда посадочный модуль достиг высоты 1,6 км (5200 футов) над поверхностью, бортовой компьютер использовал радар для определения высоты и скорости спуска. Эта информация использовалась компьютером для определения точного времени последующих событий посадки. [22]
Как только посадочный модуль оказался на высоте 355 м (1165 футов) над землей, подушки безопасности были надуты менее чем за секунду с помощью трех газогенераторов. [23] Подушки безопасности были сделаны из четырех взаимосвязанных многослойных вектрановых мешков, которые окружали тетраэдрический посадочный модуль. Они были спроектированы и испытаны для выдерживания ударов под углом касания до 28 м/с (63 миль/ч). Однако, поскольку подушки безопасности были рассчитаны на вертикальные удары не более 15 м/с (34 миль/ч), над посадочным модулем в задней оболочке были установлены три твердотопливных тормозных ракетных двигателя. [24] Они были запущены на высоте 98 м (322 фута) над землей. Бортовой компьютер посадочного модуля оценил наилучшее время для запуска ракет и отключил уздечку, чтобы скорость посадочного модуля снизилась примерно до нуля между 15 и 25 м (49 и 82 футами) над землей. Через 2,3 секунды, пока ракеты все еще работали, посадочный модуль отцепил уздечку примерно в 21,5 м (71 фут) над землей и упал на землю. Ракеты взлетели и улетели вместе с кожухом и парашютом (с тех пор их видели на орбитальных снимках). Посадочный модуль ударился о землю со скоростью 14 м/с (31 миля в час) и ограничил удар всего лишь 18 G замедления. Первый отскок был на высоте 15,7 м (52 фута) и продолжал отскакивать еще как минимум 15 раз (запись данных акселерометра не продолжалась на протяжении всех отскоков). [25]
Весь процесс входа в атмосферу, снижения и посадки был завершен за четыре минуты.
Как только посадочный модуль прекратил вращаться, подушки безопасности сдулись и втянулись в посадочный модуль с помощью четырех лебедок, установленных на «лепестках» посадочного модуля. Разработанный для того, чтобы выпрямляться из любой первоначальной ориентации, посадочный модуль случайно перевернулся правой стороной вверх на свой базовый лепесток. Восемьдесят семь минут после приземления лепестки были развернуты с марсоходом Sojourner и солнечными панелями, прикрепленными внутри. [26]
Посадочный модуль прибыл ночью в 2:56:55 по местному солнечному времени Марса (16:56:55 UTC) 4 июля 1997 года. Посадочному модулю пришлось ждать восхода солнца, чтобы отправить свои первые цифровые сигналы и изображения на Землю. Место посадки располагалось в точке с координатами 19,30° северной широты и 33,52° западной долготы в долине Ареса, всего в 19 км (12 милях) к юго-западу от центра эллипса посадочной площадки шириной 200 км (120 миль). В течение первого сола , первого марсианского солнечного дня, проведенного модулем на планете, модуль сделал фотографии и провел некоторые метеорологические измерения. После получения данных инженеры поняли, что один из воздушных мешков не полностью сдулся и может стать проблемой для предстоящего пересечения рампы спуска Sojourner . Чтобы решить эту проблему, они отправили модулю команды поднять один из его лепестков и выполнить дополнительное втягивание , чтобы сплющить воздушный мешок. Процедура прошла успешно, и на 2-й сол Соджорнер был освобожден, встал и спустился по одному из двух пандусов. [26]
Марсоход Sojourner отчалил от посадочного модуля на 2-й сол после его посадки 4 июля 1997 года. В течение следующих солов он приблизился к некоторым камням, которые ученые назвали « Барнакл Билл », « Йоги » и « Скуби-Ду » в честь известных персонажей мультфильмов . Марсоход провел измерения элементов, обнаруженных в этих камнях и в марсианской почве, в то время как посадочный модуль сделал фотографии Sojourner и окружающей местности, а также провел климатические наблюдения.
Sojourner — это шестиколесное транспортное средство длиной 65 см (26 дюймов), шириной 48 см (19 дюймов), высотой 30 см (12 дюймов) и весом 10,5 кг (23 фунта). [27] Его максимальная скорость достигала 1 см/с (0,39 дюйма/с). Sojourner проехал в общей сложности около 100 м (330 футов), ни разу не удаляясь более чем на 12 м (39 футов) от станции Pathfinder . За 83 сола работы он отправил на Землю 550 фотографий и проанализировал химические свойства 16 мест вблизи посадочного модуля. (См. также Марсоходы для исследования космоса )
Первый анализ камня начался на 3-м соле с Морским Улитом Биллом. Для определения его состава использовался рентгеновский спектрометр альфа-частиц (APXS), спектрометру потребовалось десять часов, чтобы полностью просканировать образец. Он обнаружил все элементы, кроме водорода , который составляет всего 0,1 процента массы камня или почвы.
APXS работает путем облучения горных пород и образцов почвы альфа-частицами ( ядрами гелия , которые состоят из двух протонов и двух нейтронов ). Результаты показали, что «Усоногий утконос» очень похож на андезиты Земли , что подтверждает прошлую вулканическую активность. Открытие андезитов показывает, что некоторые марсианские породы были переплавлены и переработаны. На Земле андезит образуется, когда магма находится в карманах горных пород, в то время как часть железа и магния осаждается. Следовательно, конечная порода содержит меньше железа и магния и больше кремнезема. Вулканические породы обычно классифицируются путем сравнения относительного количества щелочей (Na2O и K2O ) с количеством кремнезема (SiO2 ) . Андезит отличается от пород, обнаруженных в метеоритах, прилетевших с Марса. [28] [29] [30]
Анализ породы Йоги снова с использованием APXS показал, что это базальтовая порода, более примитивная, чем Морской утёс Билл. Форма и текстура Йоги показывают, что она, вероятно, была отложена там потопом .
На другой скале, названной Мо, были обнаружены определенные отметины на поверхности, демонстрирующие эрозию, вызванную ветром. Большинство проанализированных пород показали высокое содержание кремния . В другом регионе, известном как Сад камней, Соджорнер столкнулся с дюнами в форме полумесяца, которые похожи на серповидные дюны на Земле.
К тому времени, когда окончательные результаты миссии были описаны в серии статей в журнале Science (5 декабря 1997 г.), считалось, что скала Йоги содержала слой пыли, но была похожа на скалу Морской утёс. Расчеты показывают, что обе скалы содержат в основном минералы ортопироксен (силикат магния и железа), полевые шпаты (алюмосиликаты калия, натрия и кальция) и кварц (диоксид кремния), с меньшим количеством магнетита, ильменита, сульфида железа и фосфата кальция. [28] [29] [30]
Встроенный компьютер на борту марсохода Sojourner был основан на процессоре Intel 80C85 с частотой 2 МГц [ 31] с 512 КБ ОЗУ и 176 КБ твердотельного накопителя флэш-памяти , работающем под управлением циклического исполнительного устройства . [32]
Компьютер посадочного модуля Pathfinder представлял собой радиационно-устойчивый однокристальный процессор IBM Risc 6000 (Rad6000 SC) с 128 МБ ОЗУ и 6 МБ EEPROM [33] [34] , а его операционной системой была VxWorks . [35]
Миссия была поставлена под угрозу из-за сопутствующей ошибки программного обеспечения в посадочном модуле, [36] которая была обнаружена в ходе предполетных испытаний, но была сочтена сбоем и поэтому получила низкий приоритет, поскольку она возникала только в определенных непредвиденных условиях большой нагрузки, и основное внимание уделялось проверке кода входа и посадки. Проблема, которая была воспроизведена и исправлена с Земли с использованием лабораторного дубликата благодаря функциональности регистрации и отладки, включенной в полетное программное обеспечение, была вызвана перезагрузками компьютера, вызванными инверсией приоритетов . Никакие научные или инженерные данные не были потеряны после перезагрузки компьютера, но все последующие операции были прерваны до следующего дня. [37] [38] Четыре перезагрузки произошли (5, 10, 11 и 14 июля) во время миссии, [39] до исправления программного обеспечения 21 июля для включения наследования приоритетов . [40]
Посадочный модуль отправил более 2,3 миллиарда бит (287,5 мегабайт) информации, включая 16 500 изображений, и сделал 8,5 миллионов измерений атмосферного давления , температуры и скорости ветра. [41]
Сделав несколько снимков неба на разных расстояниях от Солнца, ученые смогли определить, что размер частиц в розовой дымке составлял около одного микрометра в радиусе. Цвет некоторых почв был похож на цвет фазы оксигидроксида железа, что подтверждает теорию более теплого и влажного климата в прошлом. [42] Pathfinder нес ряд магнитов для изучения магнитного компонента пыли. В конце концов, все магниты, кроме одного, покрылись слоем пыли. Поскольку самый слабый магнит не притягивал почву, был сделан вывод, что воздушная пыль не содержала чистого магнетита или только один тип маггемита . Пыль, вероятно, представляла собой агрегат, возможно, сцементированный оксидом железа (Fe 2 O 3 ). [43] Используя гораздо более сложные приборы, марсоход Mars Spirit обнаружил, что магнетит может объяснить магнитную природу пыли и почвы на Марсе. Магнетит был обнаружен в почве, и самая магнитная часть почвы была темной. Магнетит очень темный. [44]
Используя доплеровское отслеживание и двухстороннее измерение , ученые добавили более ранние измерения с посадочных модулей Viking, чтобы определить, что негидростатическая составляющая полярного момента инерции обусловлена выпуклостью Тарсис и что внутренняя часть не расплавлена. Радиус центрального металлического ядра составляет от 1300 до 2000 км (от 810 до 1240 миль). [28]
Хотя миссия была запланирована на срок от недели до месяца, марсоход успешно проработал почти три месяца. Связь прервалась после 7 октября [45] , а последняя передача данных была получена от Pathfinder в 10:23 UTC 27 сентября 1997 года. Руководители миссии пытались восстановить полную связь в течение следующих пяти месяцев, но миссия была прекращена 10 марта 1998 года. Во время расширенной операции делалась стереопанорама высокого разрешения окружающей местности, и марсоход Sojourner должен был посетить отдаленный хребет, но панорама была завершена только примерно на треть, а посещение хребта не началось, когда связь прервалась. [45]
Бортовая батарея, рассчитанная на работу в течение месяца, могла выйти из строя после многократной зарядки и разрядки. Батарея использовалась для нагрева электроники зонда до температуры, немного превышающей ожидаемую ночную температуру на Марсе. После выхода батареи из строя более низкие, чем обычно, температуры могли привести к поломке жизненно важных деталей, что привело к потере связи. [45] [46] Миссия превзошла свои цели в первый месяц.
Mars Reconnaissance Orbiter обнаружил посадочный модуль Pathfinder в январе 2007 года (см. фото). [47] [48]
Название Sojourner было выбрано для марсохода Mars Pathfinder , когда 12-летняя Валери Амбруаз из Бриджпорта, штат Коннектикут, выиграла годовой всемирный конкурс, в котором учащимся до 18 лет предлагалось выбрать героиню и написать эссе о ее исторических достижениях. В своих эссе учащимся было предложено рассказать о том, как планетоход, названный в честь их героини, перенесет эти достижения в марсианскую среду.
Конкурс был инициирован в марте 1994 года Планетарным обществом Пасадены, Калифорния, в сотрудничестве с Лабораторией реактивного движения НАСА (JPL). Он начался с объявления в выпуске журнала Национальной ассоциации учителей естественных наук « Science and Children » за январь 1995 года , который был распространен среди 20 000 учителей и школ по всей стране. [49]
Победившее эссе Амбруаза, в котором предлагалось назвать марсоход в честь активистки движения за права женщин XIX века Соджорнер Трут , было выбрано из 3500 эссе. Первым вице-мисс стала Дипти Рохатги, 18 лет, из Роквилла, штат Мэриленд, которая предложила имя ученого Марии Кюри . Вторым вице-мисс стал Адам Шиди, 15 лет, из Раунд-Рока, штат Техас, который предложил имя покойного астронавта Джудит Резник , погибшей при взрыве космического челнока «Челленджер» в 1986 году . Другие популярные предложения включали имя исследователя и гида Сакажевеа и летчицу Амелию Эрхарт . [50]
Кликабельное изображение: Нажатие на метки откроет новую статью.
