Миссия NASA Mars Exploration Rover ( MER ) была роботизированной космической миссией с участием двух марсоходов , Spirit и Opportunity , исследующих планету Марс . Она началась в 2003 году с запуска двух марсоходов для исследования поверхности и геологии Марса ; оба приземлились на Марсе в разных местах в январе 2004 года. Оба марсохода намного пережили свои запланированные миссии в 90 марсианских солнечных дней : MER-A Spirit был активен до 22 марта 2010 года, [1] в то время как MER-B Opportunity был активен до 10 июня 2018 года. [2]
Научной целью миссии был поиск и характеристика широкого спектра пород и почв , которые содержат ключи к прошлой водной активности на Марсе . Миссия является частью Программы исследования Марса NASA , которая включает три предыдущих успешных посадочных модуля: два посадочных модуля программы Viking в 1976 году и зонд Mars Pathfinder в 1997 году. [3]
Научными целями миссии Mars Exploration Rover были: [4]
Общая стоимость строительства, запуска, посадки и эксплуатации марсоходов на поверхности для первоначальной 90- соловой основной миссии составила 820 миллионов долларов США. [5] Каждый марсоход получил пять продлений миссии, поскольку они продолжали функционировать после первоначально запланированной продолжительности. Пятое продление миссии было предоставлено в октябре 2007 года и длилось до конца 2009 года. [5] [6] Общая стоимость первых четырех продлений миссии составила 104 миллиона долларов, а пятое продление миссии обошлось не менее чем в 20 миллионов долларов. [5] Миссия управлялась Лабораторией реактивного движения (JPL), которая проектировала, строила и эксплуатировала марсоходы.
В знак признания огромного объема научной информации, собранной обоими марсоходами, в их честь были названы два астероида : 37452 Spirit и 39382 Opportunity .
MER-A ( Spirit ) и MER-B ( Opportunity ) были запущены 10 июня 2003 года и 7 июля 2003 года соответственно. Хотя оба зонда были запущены на ракетах Boeing Delta II 7925-9.5 с космодрома Cape Canaveral Space Launch Complex 17 (CCAFS SLC-17), MER-B был на тяжелой версии этой ракеты-носителя, нуждающейся в дополнительной энергии для трансмарсианского вывода . Ракеты-носители были интегрированы на площадки прямо рядом друг с другом, MER-A на CCAFS SLC-17A и MER-B на CCAFS SLC-17B. Двойные площадки позволяли отрабатывать 15- и 21-дневные периоды планетарных запусков близко друг к другу; последний возможный день запуска для MER-A был 19 июня 2003 года, а первый день для MER-B был 25 июня 2003 года. Программа запуска NASA управляла запуском обоих космических аппаратов.
Зонды приземлились в январе 2004 года в далеко разнесенных экваториальных точках на Марсе. 21 января 2004 года Deep Space Network потеряла связь со Spirit по причинам, которые первоначально считались связанными с вспышкой над Австралией . Марсоход передал сообщение без данных, но позже в тот же день пропустил еще один сеанс связи с Mars Global Surveyor . На следующий день JPL получила звуковой сигнал от марсохода, указывающий на то, что он находится в режиме неисправности. 23 января летной группе удалось заставить марсоход отправить данные. Считалось, что неисправность была вызвана ошибкой в подсистеме флэш-памяти марсохода . Марсоход не выполнял никаких научных действий в течение десяти дней, пока инженеры обновляли его программное обеспечение и проводили тесты. Проблема была устранена путем переформатирования флэш -памяти Spirit и использования программного патча , чтобы избежать перегрузки памяти; Opportunity также был обновлен с помощью патча в качестве меры предосторожности. Spirit вернулся к полноценной научной работе 5 февраля. Первоначально миссии обоих марсоходов длились всего 90 солов .
23 марта 2004 года состоялась пресс-конференция, на которой было объявлено о «крупных открытиях» свидетельств существования жидкой воды на поверхности Марса в прошлом. Делегация ученых продемонстрировала фотографии и данные, раскрывающие слоистую структуру и перекрестную слоистость в породах обнажения внутри кратера в плато Меридиана , месте посадки MER-B, Opportunity . Это говорит о том, что в этом регионе когда-то текла вода. Неравномерное распределение хлора и брома также говорит о том, что это место когда-то было береговой линией соленого моря, теперь испарившегося.
8 апреля 2004 года NASA объявило, что продлевает срок службы марсоходов с трех до восьми месяцев. Оно немедленно выделило дополнительное финансирование в размере 15 миллионов долларов США до сентября и 2,8 миллиона долларов США в месяц на продолжение работы. Позже в том же месяце Opportunity прибыл в кратер Endurance , проехав 200 метров примерно за пять дней. 22 сентября NASA объявило, что продлевает срок службы марсоходов еще на шесть месяцев. Opportunity должен был покинуть кратер Endurance, посетить его сброшенный тепловой щит и отправиться в кратер Victoria . Spirit должен был попытаться подняться на вершину Columbia Hills .
Поскольку оба марсохода все еще работали исправно, NASA позже объявило о продлении миссии еще на 18 месяцев до сентября 2006 года. Opportunity должен был посетить «Etched Terrain», а Spirit — подняться по каменистому склону к вершине Husband Hill . 21 августа 2005 года Spirit достиг вершины Husband Hill через 581 сол и проделав путь в 4,81 километра (2,99 мили).
Переднее правое колесо Spirit перестало работать 13 марта 2006 года, когда марсоход двигался к холму МакКул . Его водители пытались тащить неисправное колесо за Spirit , но это срабатывало только до тех пор, пока он не достиг непроходимой песчаной местности на нижних склонах. Водители направили Spirit к небольшому наклонному участку, получившему название «Низкогорная гряда», где он провел долгую марсианскую зиму, ожидая весны и повышения уровня солнечной энергии, пригодного для вождения. В сентябре того же года Opportunity достиг края кратера Виктория, и Spaceflight Now сообщил, что NASA продлило миссию для двух марсоходов до сентября 2007 года. [7] [8] 6 февраля 2007 года Opportunity стал первым космическим аппаратом, который преодолел десять километров (6,2 мили) по поверхности Марса. [9]
В июле 2007 года во время четвертого продления миссии марсианские пылевые бури заблокировали солнечный свет для марсоходов и поставили под угрозу способность корабля собирать энергию через свои солнечные панели , заставив инженеров опасаться, что один или оба из них могут быть навсегда выведены из строя. Однако пылевые бури прекратились, что позволило им возобновить работу. [10]
Opportunity был готов войти в кратер Виктория со своего места на краю залива Дак 28 июня 2007 года [11] , но из-за сильных пылевых бурь он был отложен до тех пор, пока пыль не рассеялась и мощность не вернулась к безопасному уровню. [12] Два месяца спустя Spirit и Opportunity возобновили движение после остановки во время бушующих пылевых бурь, которые ограничили солнечную энергию до уровня, который едва не привел к окончательному отказу обоих марсоходов. [13]
1 октября 2007 года [14] Spirit и Opportunity начали пятое продление миссии, которое продлило операции до 2009 года [15], что позволило марсоходам провести пять лет, исследуя поверхность Марса, в ожидании их дальнейшего выживания.
26 августа 2008 года Opportunity начал свой трехдневный подъем из кратера Виктория на фоне опасений, что скачки мощности, похожие на те, что наблюдались на Spirit до отказа его правого переднего колеса, могут помешать ему когда-либо покинуть кратер, если колесо выйдет из строя. Ученый проекта Брюс Банердт также сказал: «Мы сделали все, что должны были сделать, войдя в кратер Виктория, и даже больше». Opportunity вернется на равнины, чтобы охарактеризовать огромное разнообразие пород плато Меридиана, некоторые из которых могли быть выброшены из кратеров, таких как Виктория. Марсоход исследовал кратер Виктория с 11 сентября 2007 года. [16] [17] По состоянию на январь 2009 года два марсохода в общей сложности отправили 250 000 изображений и проехали более 21 километра (13 миль). [18]
Проехав около 3,2 км (2,0 мили) с момента выхода из кратера Виктория, Opportunity впервые увидел край кратера Индевор 7 марта 2009 года. [19] Он преодолел отметку в 16 км (9,9 мили) по пути в 1897 сол. [20] Тем временем, в кратере Гусева Spirit глубоко зарылся в марсианский песок, так же как Opportunity в дюне Чистилища в 2005 году. [21]
26 января 2010 года, после шести лет на Марсе, НАСА объявило, что Spirit будет использоваться в качестве стационарной исследовательской платформы, после нескольких месяцев безуспешных попыток освободить марсоход от мягкого песка. [22]
24 марта 2010 года НАСА объявило, что Opportunity , которому, по оценкам, оставалось проехать 12 км (7,5 миль) до кратера Индевор, проехал более 20 км (12,4 мили) с начала своей миссии. [23] Каждый марсоход был спроектирован с целевым расстоянием пробега миссии всего 600 метров. [23]
В марте 2010 года было объявлено, что Spirit , возможно, впал в спячку на марсианскую зиму и может не проснуться в течение нескольких месяцев. [24] 22 мая 2011 года NASA прекратило попытки связаться со Spirit , который застрял в песчаной ловушке на два года. Последнее успешное общение с марсоходом состоялось 22 марта 2010 года. Последняя передача Spirit состоялась 25 мая 2011 года. [25]
16 мая 2013 года НАСА объявило, что Opportunity проехал больше, чем любой другой автомобиль НАСА в мире, отличном от Земли. [26] После того, как общий одометр Opportunity превысил 35,744 км (22,210 миль), марсоход превзошел общее расстояние, пройденное лунным вездеходом Apollo 17. [26] А 28 июля 2014 года Opportunity проехал больше, чем любой другой автомобиль в мире, отличном от Земли. [26] [27] [28] Opportunity преодолел более 40 км (25 миль), превзойдя общее расстояние в 39 км (24 мили), пройденное луноходом Lunokhod 2 , предыдущим рекордсменом. [26] [27] 23 марта 2015 года Opportunity преодолел полную дистанцию марафона длиной 42,2 км (26,2 мили) , показав время на финише примерно 11 лет и 2 месяца. [29]
24 января 2014 года НАСА сообщило, что текущие исследования оставшегося марсохода Opportunity , а также более нового марсохода Mars Science Laboratory Curiosity теперь будут направлены на поиск доказательств древней жизни, включая биосферу, основанную на автотрофных , хемотрофных и/или хемолитоавтотрофных микроорганизмах , а также древней воды, включая флювио-озерные среды ( равнины, связанные с древними реками или озерами), которые могли быть пригодны для жизни . [30] [31] [32] [33] Поиск доказательств обитаемости , тафономии (связанной с окаменелостями ) и органического углерода на планете Марс был затем переключен на основную цель НАСА. [30]
В июне 2018 года Opportunity попал в глобальную пылевую бурю, и солнечные панели марсохода не смогли вырабатывать достаточно энергии, последний контакт состоялся 10 июня 2018 года. NASA возобновило отправку команд после того, как пылевая буря утихла, но марсоход молчал, возможно, из-за катастрофического сбоя или слоя пыли, покрывающего его солнечные панели. [34] 13 февраля 2019 года состоялась пресс-конференция, на которой было объявлено, что после многочисленных попыток связаться с Opportunity , без ответа с июня 2018 года, NASA объявило миссию Opportunity завершенной, что также положило конец 16-летней миссии Mars Exploration Rover. [35] [36] [37]
Марсоход Mars Exploration Rover был разработан для размещения на ракете Delta II . Каждый космический аппарат состоит из нескольких компонентов:
Общая масса составляет 1063 кг (2344 фунта).
Крейсерская ступень — это компонент космического корабля, который используется для путешествия с Земли на Марс. По конструкции он очень похож на Mars Pathfinder и имеет диаметр около 2,65 метра (8,7 фута) и высоту 1,6 метра (5,2 фута), включая входной модуль (см. ниже).
Основная структура выполнена из алюминия с внешним кольцом ребер, покрытым солнечными панелями, диаметр которых составляет около 2,65 м (8,7 фута). Разделенные на пять секций, солнечные батареи могут обеспечивать до 600 Вт энергии вблизи Земли и 300 Вт на Марсе.
Нагреватели и многослойная изоляция поддерживают электронику «в тепле». Фреоновая система отводит тепло от бортового компьютера и коммуникационного оборудования внутри марсохода, чтобы они не перегревались. Системы бортовой авионики позволяют бортовому компьютеру взаимодействовать с другой электроникой, такой как солнечные датчики , звездный сканер и нагреватели.
Звездный сканер (без резервной системы) и датчик Солнца позволяли космическому кораблю определять свою ориентацию в пространстве, анализируя положение Солнца и других звезд по отношению к себе. Иногда корабль мог немного отклоняться от курса; это было ожидаемо, учитывая 500-миллионный (320 миллионов миль) путь. Таким образом, навигаторы планировали до шести маневров коррекции траектории, а также проверки работоспособности.
Чтобы гарантировать, что космический корабль прибыл на Марс в нужное место для посадки, два легких, облицованных алюминием бака несли около 31 кг (около 68 фунтов) гидразинового топлива . Наряду с системами управления и контроля на борту, топливо позволяло навигаторам удерживать космический корабль на курсе. Сжигание и импульсное срабатывание топлива позволяли выполнять три типа маневров:
Для связи космический аппарат использовал высокочастотную радиоволну X - диапазона , что позволяло использовать меньшую мощность и антенны меньшего размера , чем многие старые аппараты, использовавшие S-диапазон .
Навигаторы отправляли команды через две антенны на крейсерском этапе: крейсерскую антенну с низким коэффициентом усиления, установленную внутри внутреннего кольца, и крейсерскую антенну со средним коэффициентом усиления во внешнем кольце. Низкочастотная антенна использовалась вблизи Земли. Она всенаправленная, поэтому мощность передачи, достигавшая Земли, падала быстрее с увеличением расстояния. По мере того, как корабль приближался к Марсу, Солнце и Земля сближались в небе, если смотреть с корабля, поэтому на Землю попадало меньше энергии. Затем космический корабль переключился на антенну со средним коэффициентом усиления, которая направляла то же количество мощности передачи в более узкий луч в сторону Земли.
Во время полета космический аппарат был стабилизирован вращением со скоростью вращения два оборота в минуту (об/мин). Периодические обновления удерживали антенны направленными на Землю, а солнечные панели — на Солнце.
Аэрооболочка обеспечивала защитное покрытие для посадочного модуля во время семимесячного путешествия к Марсу. Вместе с посадочным модулем и марсоходом она составляла «входной аппарат». Ее главной целью была защита посадочного модуля и марсохода внутри от сильного жара при входе в тонкую марсианскую атмосферу. Она была основана на конструкциях Mars Pathfinder и Mars Viking.
Аэрооболочка состояла из двух основных частей: теплозащитного экрана и задней оболочки. Теплозащитный экран был плоским и коричневатым, защищал посадочный модуль и марсоход во время входа в атмосферу Марса и служил первым аэротормозом для космического корабля. Задняя оболочка была большой, конусообразной и окрашенной в белый цвет. Она несла парашют и несколько компонентов, используемых на более поздних этапах входа, спуска и посадки, включая:
Созданная компанией Lockheed Martin Space в Денвере, штат Колорадо, аэрооболочка изготовлена из алюминиевой сотовой структуры, зажатой между графито-эпоксидными лицевыми листами. Внешняя часть аэрооболочки покрыта слоем фенольных сот. Эти соты заполнены абляционным материалом (также называемым «аблятором»), который рассеивает тепло, выделяемое атмосферным трением.
Сам аблятор представляет собой смесь пробкового дерева, связующего вещества и множества крошечных сфер из кварцевого стекла. Он был изобретен для тепловых экранов, используемых в миссиях Viking Mars Landing. Похожая технология использовалась в первых американских пилотируемых космических миссиях Mercury , Gemini и Apollo . Он был специально разработан для химической реакции с марсианской атмосферой во время входа и отвода тепла, оставляя за собой горячий газовый след. Аппарат замедлился с 19 000 до 1600 км/ч (от 5300 до 440 м/с) примерно за минуту, создавая около 60 м/с 2 (6 g ) ускорения на посадочном модуле и марсоходе.
Корпус и теплозащитный экран сделаны из тех же материалов, но теплозащитный экран имеет более толстый, 13 мм ( 1 ⁄ 2 дюйма), слой аблятора. Вместо того, чтобы красить корпус, он был покрыт очень тонким алюминизированным полиэтилентерефталатным пленочным покрытием для защиты от холода глубокого космоса. Одеяло испарилось при входе в марсианскую атмосферу.
Парашют помогал замедлить космический корабль во время входа, спуска и посадки. Он расположен в задней части корпуса. [40]
Конструкция парашюта 2003 года была частью долгосрочных усилий по разработке технологии парашютов для Марса и основана на конструкциях и опыте миссий Viking и Pathfinder. Парашют для этой миссии на 40% больше, чем у Pathfinder, поскольку наибольшая нагрузка для Mars Exploration Rover составляет от 80 до 85 килоньютонов ( кН) или от 80 до 85 кН (от 18 000 до 19 000 фунтов силы), когда парашют полностью надувается. Для сравнения, нагрузки наполнения Pathfinder составляли приблизительно 35 кН (около 8 000 фунтов силы). Парашют был спроектирован и изготовлен в Саут-Виндзоре, штат Коннектикут , компанией Pioneer Aerospace , которая также спроектировала парашют для миссии Stardust . [40]
Парашют изготовлен из двух прочных, легких тканей: полиэстера и нейлона . Тройная стропа из кевлара соединяет парашют с задней оболочкой.
Количество места на космическом корабле для парашюта было настолько малым, что парашют пришлось упаковать под давлением. Перед запуском команда плотно сложила 48 строп, три стропы и парашют. Парашют был загружен в специальную конструкцию, которая затем несколько раз прикладывала тяжелый вес к упаковке парашюта. Перед тем, как поместить парашют в заднюю оболочку, парашют был подвергнут термической обработке для стерилизации . [40]
После того, как парашют был раскрыт на высоте около 10 км (6,2 мили) над поверхностью, теплозащитный экран был отсоединен с помощью 6 разделительных гаек и пружин отталкивания. Затем посадочный модуль отделился от задней оболочки и «спустился» вниз по металлической ленте на центробежной тормозной системе, встроенной в один из лепестков посадочного модуля. Медленный спуск по металлической ленте поместил посадочный модуль в положение на конце другой уздечки (троса), сделанной из почти 20-метрового (66 футов) плетеного материала Zylon . [40] Zylon — это волокнистый материал, похожий на кевлар, который сшит в виде тесьмы (как материал для шнурков), чтобы сделать его прочнее. Уздечка Zylon обеспечивает пространство для развертывания подушки безопасности, расстояние от выхлопного потока твердотопливного ракетного двигателя и повышенную устойчивость. Уздечка включает в себя электрическую проводку, которая позволяет запускать твердотопливные ракеты из кожуха, а также передает данные из инерциального измерительного блока кожуха (который измеряет скорость и наклон космического корабля) в бортовой компьютер в марсоходе. [40]
Поскольку плотность атмосферы Марса составляет менее 1% от земной, парашют сам по себе не мог замедлить Mars Exploration Rover достаточно, чтобы обеспечить безопасную низкую скорость посадки. Спуск космического корабля осуществлялся с помощью ракет, которые полностью остановили космический корабль на высоте 10–15 м (33–49 футов) над поверхностью Марса. [40]
Для определения расстояния до поверхности Марса использовался блок радиолокационного высотомера . Антенна радара была установлена в одном из нижних углов тетраэдра посадочного модуля. Когда радиолокационные измерения показывали, что посадочный модуль находится на правильном расстоянии над поверхностью, уздечка Zylon была разрезана, освобождая посадочный модуль от парашюта и оболочки, так что он был свободен и готов к посадке. Данные радара также позволили определить временную последовательность надувания подушки безопасности и запуска ракеты RAD оболочки. [40]
Подушки безопасности, используемые в миссии Mars Exploration Rover, были того же типа, что и Mars Pathfinder, использовавшийся в 1997 году. Они должны были быть достаточно прочными, чтобы смягчить удар космического корабля, если он приземлится на камни или неровную местность, и позволить ему подпрыгивать по поверхности Марса на скоростях шоссе (около 100 км/ч) после приземления. Подушки безопасности должны были надуваться за секунды до приземления и сдуваться после безопасного приземления.
Подушки безопасности были сделаны из Vectran , как и те, что на Pathfinder. Vectran почти в два раза прочнее других синтетических материалов, таких как Kevlar, и лучше работает при низких температурах. Шесть слоев Vectran плотностью 100 денье (10 мг/м) защищали один или два внутренних баллона Vectran плотностью 200 денье (20 мг/м). Использование 100 денье (10 мг/м) оставляет больше ткани во внешних слоях, где это необходимо, потому что в переплетении больше нитей.
Каждый марсоход использовал четыре подушки безопасности с шестью лепестками каждая, все они были соединены. Соединение было важным, так как оно помогало смягчить некоторые силы приземления, сохраняя систему подушек гибкой и восприимчивой к давлению на грунт. Подушки безопасности не были прикреплены непосредственно к марсоходу, а удерживались на нем веревками, пересекающими структуру подушек. Веревки придавали подушкам форму, облегчая надувание. Во время полета подушки были уложены вместе с тремя газогенераторами, которые используются для надувания. [41]
Посадочный модуль космического корабля представляет собой защитную оболочку, в которой размещается марсоход, и вместе с подушками безопасности защищает его от ударных нагрузок.
Посадочный модуль имеет форму тетраэдра , стороны которого раскрываются как лепестки. Он прочный и легкий, сделан из балок и листов. Балки состоят из слоев графитового волокна, сплетенного в ткань, которая легче алюминия и жестче стали. Титановые фитинги приклеены и установлены на балках, чтобы их можно было скрепить болтами. Марсоход удерживался внутри посадочного модуля болтами и специальными гайками, которые были отпущены после приземления с помощью небольших взрывчатых веществ.
После того, как посадочный модуль перестал подпрыгивать и катиться по земле, он остановился на основании тетраэдра или на одной из его сторон. Затем стороны открылись, чтобы сделать основание горизонтальным, а марсоход — вертикальным. Стороны соединены с основанием шарнирами, каждый из которых имеет двигатель, достаточно мощный, чтобы поднять посадочный модуль. Марсоход вместе с посадочным модулем имеют массу около 533 килограммов (1175 фунтов). Масса одного марсохода составляет около 185 кг (408 фунтов). Гравитация на Марсе составляет около 38% от земной, поэтому двигатель не должен быть таким мощным, как на Земле.
В марсоходе установлены акселерометры, которые определяют, какой путь вниз (к поверхности Марса) путем измерения силы тяжести. Затем компьютер марсохода отдал команду правильному лепестку посадочного модуля открыться, чтобы установить марсоход в вертикальное положение. Как только базовый лепесток опустился, а марсоход встал в вертикальное положение, открылись два других лепестка.
Лепестки изначально открывались в одинаково плоское положение, поэтому все стороны посадочного модуля были прямыми и ровными. Лепестковые двигатели достаточно сильны, так что если два из лепестков упрутся в камни, основание с марсоходом будет удерживаться на месте, как мост над землей. Основание будет удерживаться на уровне даже при высоте лепестков, опирающихся на камни, создавая прямую ровную поверхность по всей длине открытого, сплющенного посадочного модуля. Затем летная группа на Земле могла бы посылать команды марсоходу для регулировки лепестков и создания безопасного пути для марсохода, чтобы съехать с посадочного модуля на поверхность Марса, не сбрасывая крутой камень.
Снятие марсохода с посадочного модуля называется фазой выхода миссии. Марсоход должен избегать попадания колес в материал подушки безопасности или падения с крутого склона. Чтобы помочь этому, система втягивания на лепестках медленно подтягивает подушки безопасности к посадочному модулю, прежде чем лепестки раскроются. Небольшие пандусы на лепестках расходятся веером, заполняя пространство между лепестками. Они покрывают неровности рельефа, каменные препятствия и материал подушки безопасности и образуют круглую область, с которой марсоход может уехать в большем количестве направлений. Они также понижают ступеньку, по которой марсоход должен спуститься. Их называют «крыльями летучей мыши», и они сделаны из ткани вектран.
На уборку подушек безопасности и раскрытие лепестков посадочного модуля было отведено около трех часов.
Марсоходы — это шестиколесные роботы на солнечных батареях высотой 1,5 м (4,9 фута), шириной 2,3 м (7,5 фута) и длиной 1,6 м (5,2 фута). Они весят 180 кг (400 фунтов), из которых 35 кг (77 фунтов) приходится на колеса и подвесную систему. [42]
Основное коробчатое шасси образует «Теплый электронный ящик» (WEB).
Каждый марсоход имеет шесть алюминиевых колес, установленных на системе подвески коромысла-тележки , аналогичной той, что установлена на Sojourner , [43] , которая обеспечивает колесам оставаться на земле при движении по неровной местности. Конструкция вдвое уменьшает диапазон движения корпуса марсохода и позволяет марсоходу преодолевать препятствия или проходить через отверстия (впадины), размер которых больше диаметра колеса (250 миллиметров (9,8 дюйма)). Колеса марсохода спроектированы со встроенными податливыми изгибами , которые обеспечивают амортизацию во время движения. [44] Кроме того, колеса имеют шипы, которые обеспечивают сцепление при подъеме по мягкому песку и карабкании по камням.
Каждое колесо имеет свой собственный приводной двигатель. Два передних и два задних колеса имеют отдельные рулевые двигатели. Это позволяет автомобилю поворачиваться на месте, делать полный оборот, а также отклоняться и изгибаться, делая дуговые повороты. Двигатели для марсоходов были разработаны швейцарской компанией Maxon Motor . [45] Марсоход спроектирован так, чтобы выдерживать наклон в 45 градусов в любом направлении без опрокидывания. Однако марсоход запрограммирован через свои «пределы защиты от неисправностей» в своем программном обеспечении для избежания опасностей, чтобы не превышать наклоны в 30 градусов.
Каждый марсоход может вращать одно из своих передних колес на месте, чтобы глубоко вгрызаться в землю. Он должен оставаться неподвижным, пока вращается копающее колесо. Максимальная скорость марсоходов на ровной твердой поверхности составляет 50 мм/с (2 дюйма/с). Средняя скорость составляет 10 мм/с, поскольку его программное обеспечение для избегания опасностей заставляет его останавливаться каждые 10 секунд на 20 секунд, чтобы осмотреть и понять местность, на которую он въехал.
При полном освещении солнечные батареи triplejunction [46] марсохода генерируют около 140 Вт в течение четырех часов за марсианские сутки ( сол ). Для движения марсоходу требуется около 100 Вт. Его система питания включает в себя две перезаряжаемые литий-ионные батареи весом 7,15 кг (15,8 фунта) каждая, которые обеспечивают энергию, когда солнце не светит, особенно ночью. Со временем батареи деградируют и не смогут заряжаться до полной емкости.
Считалось, что к концу 90-соловой миссии способность солнечных батарей вырабатывать электроэнергию, вероятно, сократится примерно до 50 Вт. Это было связано с ожидаемым покрытием солнечных батарей пылью и сменой сезона. Однако спустя три земных года электроснабжение марсоходов колебалось между 300 и 900 Вт ·ч в день, в зависимости от покрытия пылью. Очистка (удаление пыли ветром) происходила чаще, чем ожидало НАСА, что позволяло поддерживать батареи относительно свободными от пыли и продлевать срок службы миссии. Во время глобальной пылевой бури 2007 года на Марсе оба марсохода испытали некоторые из самых низких показателей мощности миссии; Opportunity опустился до 128 Вт·ч. В ноябре 2008 года Spirit побил этот рекорд по низкому энергопотреблению, выработав 89 Вт·ч из-за пылевых бурь в районе кратера Гусева. [47]
Марсоходы работают под управлением встроенной операционной системы VxWorks на радиационно-устойчивом процессоре RAD6000 20 МГц с 128 МБ DRAM с обнаружением и исправлением ошибок и 3 МБ EEPROM . [48] Каждый марсоход также имеет 256 МБ флэш-памяти . Чтобы выжить во время различных фаз миссии , жизненно важные приборы марсохода должны оставаться в пределах температуры от −40 °C до +40 °C (от −40 °F до 104 °F). Ночью марсоходы обогреваются восемью радиоизотопными нагревательными блоками (RHU), каждый из которых непрерывно генерирует 1 Вт тепловой энергии за счет распада радиоизотопов , а также электрическими нагревателями, которые работают только при необходимости. Для изоляции используются напыленная золотая пленка и слой аэрогеля из диоксида кремния . [49]
Марсоход оснащен антенной X-диапазона с низким коэффициентом усиления и антенной X-диапазона с высоким коэффициентом усиления для связи с Землей и с ней, а также сверхвысокочастотной монопольной антенной для ретрансляционной связи. Антенна с низким коэффициентом усиления является всенаправленной и передает данные с низкой скоростью на антенны Deep Space Network на Земле. Антенна с высоким коэффициентом усиления является направленной и управляемой и может передавать данные на Землю с более высокой скоростью. Марсоходы используют монополь UHF и его радио CE505 для связи с космическими аппаратами, вращающимися вокруг Марса, Mars Odyssey и (до его выхода из строя) Mars Global Surveyor (уже более 7,6 терабит данных было передано с помощью антенны Mars Relay и буфера памяти Mars Orbiter Camera объемом 12 МБ). [50] С тех пор, как MRO вышел на орбиту вокруг Марса, посадочные модули также использовали его в качестве ретранслятора. Большая часть данных посадочного модуля передается на Землю через Odyssey и MRO. Орбитальные аппараты могут получать сигналы марсоходов с гораздо более высокой скоростью передачи данных, чем Deep Space Network, из-за гораздо более коротких расстояний от марсохода до орбитального аппарата. Затем орбитальные аппараты быстро передают данные марсоходов на Землю, используя свои большие и мощные антенны.
Каждый марсоход имеет девять камер, [51] которые создают изображения размером 1024 на 1024 пикселя с 12 битами на пиксель, [52] но большинство изображений навигационной камеры и миниатюр изображений обрезаются до 8 бит на пиксель для экономии памяти и времени передачи. Затем все изображения сжимаются с помощью ICER перед сохранением и отправкой на Землю. Навигационные, миниатюрные и многие другие типы изображений сжимаются примерно до 0,8–1,1 бит/пиксель. Более низкие скорости передачи данных (менее 0,5 бит/пиксель) используются для определенных длин волн многоцветных панорамных изображений. ICER основан на вейвлетах и был разработан специально для приложений в дальнем космосе. Он производит прогрессивное сжатие, как без потерь, так и с потерями, и включает схему сдерживания ошибок для ограничения последствий потери данных на канале дальнего космоса. Он превосходит компрессор изображений JPEG с потерями и компрессор Rice без потерь, используемые миссией Mars Pathfinder .
На мачте Pancam Mast Assembly (PMA) было установлено несколько камер и приборов:
Камеры были установлены на высоте 1,5 метра на сборке мачты Pancam, которая обеспечивает вращение на 360 градусов. [53] PMA развертывается с помощью привода развертывания мачты (MDD). Азимутальный привод, установленный непосредственно над MDD, поворачивал сборку горизонтально на целый оборот с помощью сигналов, передаваемых через конфигурацию вращающейся ленты. Привод камеры направляет камеры по высоте, почти прямо вверх или вниз. Третий двигатель направляет складные зеркала Mini-TES и защитный кожух до 30° над горизонтом и 50° ниже.
Четыре монохромные камеры Hazard Avoidance Cameras ( Hazcams ) были установлены на корпусе марсохода, две спереди и две сзади. Марсоход использовал пары изображений Hazcam для картирования формы местности на расстоянии до 3 метров (10 футов) перед собой, в форме «клина», ширина которого на самом дальнем расстоянии составляет более 4 метров. [51]
Устройство развертывания инструментов (IDD), также называемое рукой марсохода. Рука имеет башню в форме креста, которая удерживает несколько инструментов. Рука может вращаться в диапазоне поворота 350 градусов и вращаться вертикально в диапазоне 340 градусов. Рука имеет три сочленения и максимальный вылет 90 сантиметров. [55]
Роботизированная рука могла размещать инструменты непосредственно на интересующих объектах в виде камня и почвы.
Марсоходы Spirit и Opportunity были названы по результатам конкурса студенческих эссе. Победителем стала работа Софи Коллис, [65] русско-американской ученицы третьего класса из Аризоны.
Я жила в приюте. Там было темно, холодно и одиноко. Ночью я смотрела на сверкающее небо и чувствовала себя лучше. Мне снилось, что я могу летать там. В Америке я могу воплотить все свои мечты в реальность. Спасибо за «Дух» и «Возможность».
— Софи Коллис, 9 лет
До этого, во время разработки и строительства марсоходов, они были известны как MER-1 Rover 1 ( Opportunity ) и MER-2 Rover 2 ( Spirit ). Внутри NASA также используются обозначения миссий MER-A ( Spirit ) и MER-B ( Opportunity ), основанные на порядке посадки на Марс.
Лаборатория реактивного движения содержит пару марсоходов, испытательные стенды Surface System (SSTB) в Пасадене для тестирования и моделирования ситуаций на Марсе. Один испытательный марсоход, SSTB1, весом около 180 кг (400 фунтов), полностью оборудован и почти идентичен Spirit и Opportunity . Другая тестовая версия, SSTB-Lite , идентична по размеру и характеристикам привода, но не включает в себя все инструменты. Она весит 80 кг (180 фунтов), что намного ближе к весу Spirit и Opportunity в условиях пониженной гравитации Марса . Эти марсоходы использовались в 2009 году для моделирования инцидента, в котором Spirit оказался в ловушке из мягкой почвы. [66] [67] [68]
Хотя кратер Гусева на орбитальных снимках выглядит как высохшее озеро, наблюдения с поверхности показывают, что внутренние равнины в основном заполнены обломками. Породы на равнинах Гусева представляют собой тип базальта . Они содержат минералы оливин , пироксен , плагиоклаз и магнетит, и выглядят как вулканический базальт, поскольку они мелкозернистые с нерегулярными отверстиями (геологи сказали бы, что у них есть пузырьки и каверны). [69] [70] Большая часть почвы на равнинах произошла от распада местных пород. В некоторых почвах были обнаружены довольно высокие уровни никеля ; вероятно, из метеоритов . [71] Анализ показывает, что породы были слегка изменены небольшим количеством воды. Внешние покрытия и трещины внутри пород предполагают наличие минералов, отложенных водой, возможно, соединений брома . Все породы содержат тонкий слой пыли и одну или несколько более твердых корок материала. Один тип можно счистить щеткой, а другой необходимо сошлифовать с помощью инструмента для абразивной обработки горных пород (RAT). [72]
Пыль в кратере Гусева такая же, как и пыль по всей планете. Было обнаружено, что вся пыль является магнитной. Более того, Spirit обнаружил , что магнетизм был вызван минеральным магнетитом , особенно магнетитом, содержащим элемент титан . Один магнит смог полностью отклонить всю пыль, поэтому вся марсианская пыль считается магнитной. [73] Спектр пыли был похож на спектры ярких областей с низкой тепловой инерцией, таких как Фарсис и Аравия, которые были обнаружены орбитальными спутниками. Тонкий слой пыли, возможно, менее одного миллиметра толщиной, покрывает все поверхности. Что-то в нем содержит небольшое количество химически связанной воды. [74] [75]
Когда марсоход поднялся над равнинами на Колумбийские холмы, минералогия, которую можно было увидеть, изменилась. [76] [77] Ученые обнаружили различные типы горных пород в Колумбийских холмах и поместили их в шесть различных категорий. Шесть из них: Clovis, Wishbone, Peace, Watchtower, Backstay и Independence. Они названы в честь выдающейся горной породы в каждой группе. Их химический состав, измеренный с помощью APXS, значительно отличается друг от друга. [78] Самое главное, что все горные породы в Колумбийских холмах демонстрируют различную степень изменения из-за водных жидкостей. [79] Они обогащены элементами фосфором, серой, хлором и бромом — все они могут переноситься в водных растворах. Горные породы Колумбийских холмов содержат базальтовое стекло, а также различные количества оливина и сульфатов . [80] [81] Содержание оливина обратно пропорционально количеству сульфатов. Это именно то, что и ожидалось, поскольку вода разрушает оливин, но способствует образованию сульфатов.
Группа Кловис особенно интересна, поскольку спектрометр Мёссбауэра (МБ) обнаружил в ней гётит . [82] Гётит образуется только в присутствии воды, поэтому его открытие является первым прямым доказательством наличия воды в прошлом в породах Колумбийских холмов. Кроме того, спектры МБ пород и обнажений показали сильное снижение присутствия оливина, [80] хотя породы, вероятно, когда-то содержали много оливина. [83] Оливин является маркером отсутствия воды, поскольку он легко разлагается в присутствии воды. Был обнаружен сульфат, и для его образования нужна вода. Вишстоун содержал много плагиоклаза, немного оливина и ангидрата (сульфата). В породах Мира обнаружена сера и убедительные доказательства наличия связанной воды, поэтому предполагается наличие гидратированных сульфатов. В породах класса Сторожевая башня отсутствует оливин, поэтому они могли быть изменены водой. В классе Независимости обнаружены некоторые признаки глины (возможно, монтмориллонита, члена группы смектита). Глинам требуется довольно длительное воздействие воды для формирования. Один тип почвы, называемый Пасо Роблес, из Колумбийских холмов, может быть испарительным отложением, поскольку он содержит большое количество серы, фосфора , кальция и железа. [84] Кроме того, MB обнаружил, что большая часть железа в почве Пасо Роблес была окисленной, Fe 3+ формы. К середине шестилетней миссии (миссия, которая должна была длиться всего 90 дней) в почве были обнаружены большие количества чистого кремнезема . Кремнезем мог появиться в результате взаимодействия почвы с кислотными парами, образующимися в результате вулканической активности в присутствии воды или из воды в среде горячих источников. [85]
После того, как Spirit прекратил работу, ученые изучили старые данные с миниатюрного термоэмиссионного спектрометра ( Mini-TES) и подтвердили наличие большого количества карбонатных пород, что означает, что регионы планеты могли когда-то иметь воду. Карбонаты были обнаружены в обнажении пород под названием «Команчи». [86] [87]
Spirit обнаружил доказательства незначительного выветривания на равнинах Гусева, но никаких доказательств того, что там было озеро. Однако в Колумбийских холмах были явные доказательства умеренного количества водного выветривания. Доказательства включали сульфаты и минералы гетит и карбонаты, которые образуются только в присутствии воды. Считается, что в кратере Гусева могло быть озеро давным-давно, но с тех пор оно было покрыто магматическими материалами. Вся пыль содержит магнитный компонент, который был идентифицирован как магнетит с некоторым количеством титана. Более того, тонкий слой пыли, покрывающий все на Марсе, одинаков во всех частях Марса.
Марсоход Opportunity приземлился в небольшом кратере, названном «Орел», на плоских равнинах Меридиани. Равнины места посадки характеризовались наличием большого количества мелких сферул , сферических конкреций , которые научная группа обозначила как «черника», которые были найдены как свободными на поверхности, так и вкрапленными в породу. Они, как оказалось, имели высокую концентрацию минерала гематита и показали признак того, что они были сформированы в водной среде. Слоистая коренная порода, обнаруженная в стенках кратера, имела признаки осадочной природы, а анализ состава и микроскопических изображений показал, что это в основном состав ярозита , сульфата железа, который обычно является эвапоритом , то есть остатком от испарения соленого пруда или моря. [88] [89]
Миссия предоставила существенные доказательства прошлой водной активности на Марсе. В дополнение к исследованию «водной гипотезы» Opportunity также получил астрономические наблюдения и атмосферные данные. Расширенная миссия провела марсоход через равнины к ряду более крупных кратеров на юге, с прибытием на край кратера диаметром 25 км, кратера Индевор, через восемь лет после посадки. Орбитальная спектроскопия края этого кратера показывает признаки филлосиликатных пород , указывающих на более древние осадочные отложения.
Кликабельное изображение: Нажатие на метки откроет новую статью.
В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
