Mars Pathfinder ( MESUR Pathfinder ) [1] [4] — американский роботизированный космический корабль , осуществивший посадку базовой станции с помощью передвижного зонда на Марс в 1997 году. Он состоял из посадочного модуля , переименованного в «Мемориальную станцию Карла Сагана» , и легкого, массой 10,6 кг. (23 фунта) колесный роботизированный марсоход Sojourner, [ 5] первый марсоход, работающий за пределами системы Земля-Луна.
Запущенный 4 декабря 1996 года НАСА на борту ракеты- носителя Delta II через месяц после Mars Global Surveyor , он приземлился 4 июля 1997 года на марсианской долине Арес , в регионе под названием Chryse Planitia в четырехугольнике Oxia Palus . Затем посадочный модуль открылся, обнажив марсоход, который проводил множество экспериментов на поверхности Марса. Миссия несла ряд научных инструментов для анализа марсианской атмосферы , климата и геологии, а также состава ее горных пород и почвы. Это был второй проект программы NASA Discovery , которая пропагандирует использование недорогих космических кораблей и частые запуски под девизом «дешевле, быстрее и лучше», продвигаемым тогдашним администратором Дэниелом Голдином . Миссией руководила Лаборатория реактивного движения (JPL), подразделение Калифорнийского технологического института , отвечающее за программу НАСА по исследованию Марса . Руководителем проекта был Тони Спир из JPL .
Эта миссия была первой из серии миссий на Марс, в которых участвовали марсоходы, и первой успешной посадкой с тех пор, как два « Викинга» высадились на Марсе в 1976 году. Хотя Советский Союз успешно отправил марсоходы на Луну в рамках программы «Луноход» в В 1970-х годах попытки использовать марсоходы в своей марсианской программе провалились.
Помимо научных целей, миссия Mars Pathfinder также была «проверкой концепции» различных технологий, таких как приземление с помощью подушек безопасности и автоматическое предотвращение 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 задумывалась как первая в рамках программы Mars Environmental Survey (MESUR).
Mars Pathfinder провел различные исследования на марсианской почве, используя три научных инструмента. Посадочный модуль содержал стереоскопическую камеру с пространственными фильтрами на выдвижной опоре под названием Imager for Mars Pathfinder (IMP), [8] [9] и пакет инструментов/метеорологии структуры атмосферы (ASI/MET) [10] , который действует как марсианский метеорологический прибор. станция, собирающая данные о давлении, температуре и ветре. Конструкция MET включала в себя три ветроуказателя , установленных на трех высотах на столбе, самый верхний - на высоте около одного метра (3,3 фута), и обычно регистрировал ветер с запада. [11]
Марсоход Sojourner имел рентгеновский альфа-протонный спектрометр ( APXS ) [ 12] , который использовался для анализа компонентов горных пород и почвы. Также у марсохода были две черно-белые камеры и одна цветная. Эти инструменты могли бы исследовать геологию марсианской поверхности размером 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. , атмосфера и вращательная и орбитальная динамика планеты.
Ровер был оснащен тремя ПЗС- камерами, все они были произведены компанией Eastman Kodak и управлялись центральным процессором марсохода. Две фронтальные монохромные камеры служили навигационным целям и были соединены с пятью лазерными проекторами для стереоскопического обнаружения опасностей. Эти фронтальные камеры имели разрешение 484 пикселей по вертикали и 768 пикселей по горизонтали, а оптическое разрешение позволяло различать детали размером всего 0,6 см (0,24 дюйма) в диапазоне 0,65 м (26 дюймов). Изображения с этих камер можно сжимать с использованием алгоритма блочного кодирования (BTC).
Третья камера, расположенная сзади рядом с APXS, использовалась для цветной съемки. Он имел то же разрешение, что и передние камеры, но был повернут на 90 градусов для захвата изображений как целевой области APXS, так и следов марсохода. Эта задняя камера имела блок пикселей 4x4 с определенной цветовой чувствительностью: 12 пикселей для зеленого, два для красного и два для инфракрасного диапазона . Во всех камерах использовались линзы из селенида цинка , который блокирует длины волн света ниже 500 нм; в результате синие/инфракрасные пиксели эффективно обнаруживают 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, информацию о цвете пришлось бы отбросить. [13]
ИМП имел набор фильтров, предназначенных для регистрации приземных и атмосферных явлений. Существовали две камеры или глаза, позволяющие получать стереоскопические изображения , причем набор фильтров у них немного отличался. [16] [17] [18]
ASI/MET записывает данные о температуре, давлении и ветре во время входа и спуска, а также на поверхности. [16] Здесь также находится электроника для работы датчиков и записи данных. [16]
Местом приземления была древняя пойма в северном полушарии Марса, называемая « Долина Ареса » («долина Ареса», древнегреческий эквивалент древнеримского божества Марса), и это одна из самых скалистых частей Марса. Ученые выбрали его, потому что обнаружили, что это относительно безопасная поверхность для приземления и она содержит большое количество разнообразных камней, отложившихся во время катастрофического наводнения. После приземления на координатах 19°08'N 33°13'W / 19,13°N 33,22°W / 19,13; -33.22 , [20] удалось, посадочный модуль получил название Мемориальная станция Карла Сагана в честь астронома . [21] (См. также Список внеземных памятников )
Mars Pathfinder вошел в атмосферу Марса и приземлился с помощью инновационной системы, включающей входную капсулу, сверхзвуковой парашют , за которым следовали твердотопливные ракеты и большие подушки безопасности для смягчения удара.
Mars Pathfinder напрямую вошел в атмосферу Марса в ретроградном направлении по гиперболической траектории со скоростью 6,1 км / с (14 000 миль в час) с использованием аэрооболочки (капсулы) для входа в атмосферу, которая была заимствована из оригинальной конструкции посадочного модуля Viking Mars. Аэрооболочка состояла из задней оболочки и специально разработанного абляционного теплозащитного экрана, замедляющего скорость до 370 м/с (830 миль в час), а сверхзвуковой парашют с дисковым зазором был надут, чтобы замедлить его спуск через тонкую марсианскую атмосферу до 68 м/с ( 150 миль в час). Бортовой компьютер посадочного модуля использовал резервные бортовые акселерометры для определения времени надувания парашюта. Двадцать секунд спустя теплозащитный экран пиротехнически сработал. Еще через двадцать секунд посадочный модуль был отделен и опущен из задней части корпуса на уздечке длиной 20 м (66 футов). Когда посадочный модуль достиг высоты 1,6 км (5200 футов) над поверхностью, бортовой компьютер использовал радар для определения высоты и скорости снижения. Эта информация была использована компьютером для определения точного времени последовавших за этим приземлений. [22]
Когда посадочный модуль оказался на высоте 355 м (1165 футов) над землей, менее чем за секунду с помощью трех газогенераторов надулись подушки безопасности. [23] Подушки безопасности представляли собой четыре соединенных между собой многослойных вектрановых мешка, окружавших посадочный модуль в виде тетраэдра. Они были спроектированы и испытаны так, чтобы выдерживать удары под углом до 28 м/с (63 миль в час). Однако, поскольку подушки безопасности были рассчитаны на вертикальные удары со скоростью не более 15 м / с (34 миль в час), над посадочным модулем в задней части корпуса были установлены три твердые ретро-реактивные двигатели. [24] Они были выпущены на высоте 98 м (322 фута) над землей. Бортовой компьютер посадочного модуля определил наилучшее время для запуска ракет и перерезания уздечки, чтобы скорость посадочного модуля снизилась примерно до нуля на высоте от 15 до 25 м (от 49 до 82 футов) над землей. Через 2,3 секунды, когда ракеты еще стреляли, посадочный модуль оторвал уздечку на высоте примерно 21,5 м (71 фут) над землей и упал на землю. Ракеты взлетели вверх и прочь с корпусом и парашютом (с тех пор их удалось увидеть на орбитальных изображениях). Посадочный модуль врезался со скоростью 14 м/с (31 миль в час) и ограничил удар замедлением всего 18 G. Первый отскок составил 15,7 м (52 фута) в высоту и продолжался как минимум 15 дополнительных отскоков (запись данных акселерометра продолжалась не при всех отскоках). [25]
Весь процесс входа, спуска и приземления занял четыре минуты.
Как только посадочный модуль перестал катиться, подушки безопасности сдулись и убирались в сторону посадочного модуля с помощью четырех лебедок, установленных на «лепестках» посадочного модуля. Разработанный для того, чтобы выпрямляться из любого первоначального положения, посадочный модуль перевернулся правой стороной вверх на свой базовый лепесток. Через 87 минут после приземления лепестки были развернуты марсоходом Sojourner и прикреплены к ним солнечные панели. [26]
Посадочный модуль прибыл ночью в 2:56:55 по местному солнечному времени Марса (16:56:55 UTC) 4 июля 1997 года. Посадочному аппарату пришлось ждать восхода солнца, чтобы отправить на Землю свои первые цифровые сигналы и изображения. Место приземления было расположено на 19,30 ° северной широты и 33,52 ° западной долготы в долине Арес, всего в 19 км (12 миль) к юго-западу от центра эллипса посадочной площадки шириной 200 км (120 миль). Во время первого марсианского солнечного дня, который посадочный модуль провел на планете, посадочный модуль сделал фотографии и провел некоторые метеорологические измерения . Как только данные были получены, инженеры поняли, что одна из подушек безопасности не полностью сдулась и может стать проблемой при предстоящем траверсе спуска Соджорнера . Для решения проблемы они отправили на посадочный модуль команды поднять один из его лепестков и выполнить дополнительное втягивание, чтобы сплющить подушку безопасности. Процедура прошла успешно, и на второй сол Соджорнер был освобожден, встал и спустился по одному из двух пандусов. [26]
Выход марсохода «Соджорнер» из посадочного модуля произошел на второй сол после его приземления 4 июля 1997 года. По мере продвижения следующих солов он приближался к камням, которые ученые назвали « Барнакл Билл », « Йог » и « Скуби-Ду ». , в честь известных героев мультфильмов . Марсоход провел измерения элементов, обнаруженных в этих камнях и марсианской почве, а посадочный модуль сделал снимки «Соджорнера» и окружающей местности, а также провел климатические наблюдения.
Sojourner - это шестиколесный автомобиль 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). Всего Соджорнер проехал около 100 м (330 футов), но не 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 рядом с посадочным модулем. (См. Также марсоходы для исследования космоса )
Первый анализ камня начался на третьем сол с Барнаклом Биллом. Для определения его состава использовался рентгеновский спектрометр альфа-частиц ( APXS), при этом спектрометру потребовалось десять часов, чтобы выполнить полное сканирование образца. Он обнаружил все элементы, кроме водорода , который составляет всего 0,1 процента массы камня или почвы.
APXS работает путем облучения образцов горных пород и почвы альфа-частицами ( ядрами гелия , состоящими из двух протонов и двух нейтронов ). Результаты показали, что «Барнак Билл» 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 задерживается в камнях, а часть железа и магния оседает. Следовательно, конечная порода содержит меньше железа и магния и больше кремнезема. Вулканические породы обычно классифицируют путем сравнения относительного количества щелочей (Na 2 O и K 2 O) с количеством кремнезема (SiO 2 ). Андезит отличается от пород, обнаруженных в метеоритах, прилетевших с Марса. [28] [29] [30]
Повторный анализ камня Йоги с помощью APXS показал, что это базальтовая порода, более примитивная, чем Барнакл Билл. Форма и текстура Йоги показывают, что он, вероятно, был занесен сюда во время наводнения .
Было обнаружено, что на поверхности другого камня, названного Мо, имеются следы, свидетельствующие об эрозии, вызванной ветром. Большинство проанализированных пород показали высокое содержание кремния . В другом регионе, известном как Сад камней, Соджорнер обнаружил дюны в форме полумесяца, похожие на серповидные дюны на Земле.
К тому времени, когда окончательные результаты миссии были описаны в серии статей в журнале Science (5 декабря 1997 года), считалось, что скала Йог покрыта слоем пыли, но похожа на скалу Барнакл Билл. Расчеты показывают, что эти две породы содержат в основном минералы ортопироксен (силикат магния и железа), полевые шпаты (алюмосиликаты калия, натрия и кальция) и кварц (диоксид кремния), с меньшими количествами магнетита, ильменита, сульфида железа и фосфат кальция. [28] [29] [30]
Встроенный компьютер на борту марсохода Sojourner был основан на процессоре Intel 80C85 с тактовой частотой 2 МГц [31] с 512 КБ оперативной памяти и 176 КБ флэш -памяти твердотельного накопителя , работающем под управлением циклического исполнительного механизма . [32]
Компьютер спускаемого аппарата Pathfinder представлял собой радиационно-стойкий одночиповый процессор IBM Risc 6000 (Rad6000 SC) со 128 МБ ОЗУ и 6 МБ EEPROM [33] [34] , а его операционной системой была VxWorks . [35]
Миссия была поставлена под угрозу из-за параллельной ошибки в программном обеспечении посадочного модуля, [36] которая была обнаружена в ходе предполетных испытаний, но была сочтена сбоем и, следовательно, ей был присвоен низкий приоритет, поскольку она возникала только в определенных непредвиденных условиях большой нагрузки, и основное внимание было уделено о проверке кода входа и приземления. Проблема, которая была воспроизведена и исправлена с Земли с использованием лабораторного дубликата благодаря функциям регистрации и отладки, включенным в полетное программное обеспечение, возникла из-за перезагрузки компьютера , вызванной 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 сброса произошли (5, 10, 11 и 14 июля) во время миссии, [39] перед обновлением программного обеспечения 21 июля, чтобы включить наследование приоритетов . [40]
Посадочный модуль отправил более 2,3 миллиарда бит (287,5 мегабайт) информации, включая 16 500 изображений, и произвел 8,5 миллионов измерений атмосферного давления , температуры и скорости ветра. [41]
Сделав несколько изображений неба на разном расстоянии от Солнца, ученые смогли определить, что размер частиц в розовой дымке составляет около одного микрометра в радиусе. Цвет некоторых почв был похож на цвет фазы оксигидроксида железа, что подтверждает теорию о более теплом и влажном климате в прошлом. [42] «Патфайндер» нес с собой серию магнитов для изучения магнитного компонента пыли. В конце концов, все магниты, кроме одного, покрылись пылью. Поскольку самый слабый магнит не притягивал почву, был сделан вывод, что переносимая по воздуху пыль не содержала чистого магнетита или только одного типа маггемита . Пыль, вероятно, представляла собой агрегат, возможно, сцементированный оксидом железа (Fe 2 O 3 ). [43] Используя гораздо более сложные инструменты, марсоход Mars Spirit обнаружил, что магнетит может объяснить магнитную природу пыли и почвы на Марсе. В почве был обнаружен магнетит, и самая магнитная часть почвы была темной. Магнетит очень темный. [44]
Используя доплеровское отслеживание и двустороннюю дальнометрию , ученые добавили более ранние измерения с посадочных модулей «Викинг» , чтобы определить, что негидростатический компонент полярного момента инерции обусловлен выпуклостью Фарсиды и что внутренняя часть не расплавлена. Центральное металлическое ядро имеет радиус от 1300 до 2000 км (от 810 до 1240 миль). [28]
Хотя планировалось, что миссия продлится от недели до месяца, марсоход успешно проработал почти три месяца. Связь прервалась после 7 октября [45] : окончательная 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 г. В ходе расширенной операции была сделана стереопанорама окружающей местности в высоком разрешении, а марсоход Соджорнер должен был посетить отдаленный хребт, но панорама была завершена лишь примерно на треть, и посещение хребта еще не началось, когда связь неуспешный. [45]
Бортовая батарея, рассчитанная на работу в течение одного месяца, могла выйти из строя после неоднократной зарядки и разрядки. Батарея использовалась для нагрева электроники зонда до температуры, немного превышающей ожидаемую ночную температуру на Марсе. В случае выхода из строя батареи более низкие, чем обычно, температуры могли привести к поломке жизненно важных частей, что привело бы к потере связи. [45] [46] Миссия превысила свои цели в первый месяц.
Марсианский разведывательный орбитальный аппарат заметил спускаемый аппарат Pathfinder в январе 2007 года (слева). [47] [48]
Название Sojourner было выбрано для марсохода Mars Pathfinder, когда 12-летняя Валери Амбруаз из Бриджпорта, штат Коннектикут, выиграла годичный всемирный конкурс, в котором учащимся до 18 лет было предложено выбрать героиню и написать эссе о ней. ее исторические достижения. Студентам было предложено рассказать в своих эссе, как планетоход, названный в честь их героини, перенесет эти достижения в марсианскую среду.
Конкурс , инициированный в марте 1994 года Планетарным обществом Пасадены, штат Калифорния, в сотрудничестве с Лабораторией реактивного движения НАСА (JPL), начался с объявления в январском номере журнала Национальной ассоциации преподавателей естественных наук « Наука и дети» за 1995 год , распространенного среди 20 000 учителей и школ по всей стране. [49]
Эссе-победитель Амбруаза, в котором предлагалось назвать марсоход в честь борца за права женщин XIX века Соджорнер Трут , было выбрано из 3500 эссе. Первым кандидатом, занявшим второе место, стал 18-летний Дипти Рохатги из Роквилля, штат Мэриленд, который предложил кандидатуру ученого Марии Кюри . Вторым вице-миссом стал 15-летний Адам Шиди из Раунд-Рока, штат Техас, который представил имя покойной астронавтки Джудит Резник , погибшей в результате взрыва космического корабля "Челленджер" в 1986 году . Среди других популярных предложений - исследователь и гид Сакаевеа и летчица Амелия Эрхарт . [50]
Кликабельное изображение: при нажатии на метки откроется новая статья.
