Марсоходи – 2003 г.

   

Малко история

През 1992 година учените от NASA/JPL започват да разработват нова мисия. Тя цели да установи на Марс ново поколение мощна роботизирана техника. Мисията, която носи името Марс Патфайндър, е уникална по своя характер. Разработката на космическия кораб струва само 1/5 от общата цена по разработката на старите космически кораби. Новата програма на НАСА – Дискавъри, диктува нова политика – да стигнем до планетите „за по-малко пари, по-бързо и по-качествено”. За да може да се осъществи тази политика, се въвеждат нови технологии, които на пръв поглед изглеждат съмнителни.

През 1995 година скептици от НАСА, преглеждайки дизайна на Патфайндър, започват да предприемат стъпки по спиране на проекта. Повечето хора смятат, че този космически кораб никога няма да успее. Техническите проблеми, които трябва да се разрешат, като че ли нямат край. Повечето хора, които са  участвали в предишното кацане на Марс преди 20 години, отдавна са се пенсионирали и няма как да помагат. Провалът на последната орбитална сонда –  Марс Обзървър, прави нещата да изглеждат още по-мрачни. На този етап изглежда, че за Марс Патфайндър няма никаква перспектива!

Два аспекта от технологията по кацането изглеждат особено притеснителни. Първо – Марс Патфайндър няма да навлиза в орбита преди кацането – за да пести гориво ще се „гмурне” директно в атмосферата. Второ – корабът няма да използва спирачни ракетни двигатели като Викингите 20 години по-рано.  Вместо това учените от НАСА решават да използват огромни възглавници, изпълнени  с въздух, които ще омекотят кацането и ще запазят техниката.


РЕКЛАМА:

***

 
Възглавниците на  Патфайндър

Въпреки трудностите мисията е приета и изстреляна през 1997 година. На 4-ти юли корабът каца успешно. Въздушните възглавници оцеляват, независимо от очакванията на скептиците. Марс Патфайндър се превръща в една от  най-успешните междупланетни мисии! Съмнителната технология проработва!

През 1999 година се случва нещо неочаквано. Старата  технология за кацане, която се очаква да бъде надеждна, претърпява провал! Марс Полър Лендър се разбива на 3-ти декември, а той, за разлика от Патфайндър, използва стандартни ракетни двигатели вместо въздушни възглавници!

Следва дълго преразглеждане на плановете за бъдещите мисии. Накрая специалистите от JPL решават – през 2003 година няма да се разчита на старата технология, а на съмнителната нова технология, използваща въздушни възглавници.

 

Началото на проекта

Преди да се премине към концепцията за марсоход, плановете за 2003 година са били малко по-различни. Сред много идеи една от водещите е била изпращането на спускаем апарат, който да вземе проби и да ги изстреля в околомарсианска орбита за по-нататъшно изпращане на Земята. Но както споменах, 1999 година променя нещата. Загубата на Марс Полър Лендър е голяма, но няколко седмици по-рано НАСА претърпява още едно много по-сериозно поражение  –  загуба на орбитална сонда – също до Марс – и то поради груба програмна грешка, причинена от нехайство. През 2001 година е спрян проект, сходен с Марс Полър  Лендър, за да няма нов провал. Затова същата тази година излита само орбитален  апарат – Марс Одисей.

За 2003 година е избрана мисия, която включва марсоход.  Разликата между този проект и Патфайндър е съществена. Патфайндър също включваше марсоход, но той по-скоро беше като допълнение, докато основните научни прибори бяха монтирани директно на спускаемия апарат. За новия марсоход се предвижда да носи всички научни прибори, а на спускаемия апарат да не се монтира нищо друго освен системите за кацане.

Като резултат марсоходът значително увеличава размерите си. Той притежава мощни панорамни камери за стерео и цветни изображения. Освен двете големи панорамни камери марсоходът има няколко по-малки инженерни камери, камери за избягване на опасности по пътя, спектрометри Мьосбауер и за топлинни емисии, микроскоп, устройство за пробиване на скали с диамантени зъбци.

По-късно, за да се намали възможността от провал, НАСА решават  да дублират мисията.

 

Кацането

Марс е едно от местата в Слънчевата система, където най-трудно се каца. Червената планета има атмосфера, следователно космическите кораби трябва да притежават топлинен щит, който да ги пази при навлизането, а също така и парашут. Това обаче не е достатъчно! На Земята и на Венера има  достатъчно плътна атмосфера за осъществяване на безопасно кацане и с тази конфигурация, но на Марс атмосферата е изключително разредена. Ако оставим техниката само на разположение на парашута, тя би се ударила в повърхността с много голяма скорост. Затова трябва да се търсят допълнителни начини за  омекотяване на кацането.

Използването на огромни възглавници, пълни с въздух е смешна на пръв поглед идея. Тя не е съвсем нова, защото подобна конфигурация е използвана от СССР при първото кацане на Луната. Освен това винаги е будила недоверие, особено щом става дума за Марс. Там имаме три пъти по-голямо  притегляне, терен, пълен с опасности като дълбоки кратери и остри скали. Ако някоя скала пробие възглавницата с космическия кораб е свършено.

Разредената атмосфера поставя изискване и за издръжливостта  на парашута. Той ще се разтвори при много голяма скорост. Материалът, от който е направен парашутът, трябва да е много здрав, иначе той ще се разкъса, което  означава край на мисията.

Един от ръководителите на проекта споделя: „Тестването на парашути винаги е било трудна работа. Първо ги изработваме, след това ги издигаме високо в атмосферата на Земята и ги изпробваме. И ние виждаме как те непрекъснато се разкъсват и разкъсват и не знаем къде е проблемът. След месеци работа ние успяхме да ги стабилизираме, но дали парашутите бяха достатъчно  добри за Марс? Това щяхме да разберем в момента на самото кацане.”

По подобен начин стои и въпросът с въздушните възглавници. Те също трябва да са достатъчно здрави, затова се изработват от материала вектран, който се използва и при произвеждането на бронежилетки. За допълнителна  сигурност стената на възглавницата се изработва от три слоя вектран. При висока скорост на кацане и терен без остри скали това трябва да проработи.

Остава за решаване и последният въпрос – къде да се кацне? Орбиталната сонда Марс Глобъл Сървеър е направила многобройни снимки, които будят интереса на учените. На места се виждат високи хълмове, на други – канали (където може да има вода и живот). Проблемът е, че заради ограничението на  възглавниците марсоходите не могат да кацнат на нито едно от тези интересни  места. Накрая след дълги месеци наблюдения на терена, изчисления, преценяване  на участъците изборът е направен. Единият марсоход ще кацне на дъното на гигантски кратер, наречен Гусев. Вторият марсоход ще се спре на най-голямата  равнинна местност на Марс – Меридиани.

Ето какъв е окончателният план на кацането: На височина 120 км корабът навлиза в атмосферата. Топлинният щит се нагрява, а скоростта трябва да се намали до 472 километра в час – когато се смята, че парашутът може да се отвори безопасно.

След като парашутът се е отворил успешно, топлинният щит се отделя, а марсоходът със системата от въздушни възглавници се освобождава на една дълга връв. На този етап връвта е все още свързана със задния щит и парашута. През това време радар измерва височината.

 

 

На височина 284 м въздушните възглавници се отварят. Спирачни ракетни двигатели за допълнително убиване на скоростта се запалват. На височина 10 м връвта се прерязва и започва дългото подскачане на марсохода с възглавниците.

След свършване на кацането възглавниците се раздуват, спускаемият апарат се отваря и марсоходът е готов да започне научната си дейност.

 

Преди и след изстрелването – някои важни събития

Подготовката за успешна мисия до Марс започва в… наземни условия! През лятото на 2002 година марсоходът ФИДО е „изпратен” на неизвестна територия на Земята. Ръководителите на проекта не знаят къде се намира тази територия, иначе няма смисъл от провеждането на теста, защото марсоходите през 2003 също ще кацнат на непознато място. На тях се дават само ограничен брой спътникови снимки с качество, близко до това на снимките от Марс Глобъл Сървеър.

Ръководителите на проекта започват стандартни процедури след „кацането”. Получават първите черно-бели снимки на околния терен, опитват се да локализират мястото на базата на „орбиталните снимки” и след това започват да изследват скалите наоколо. Паралелно ФИДО сканира „марсианското” небе за облаци  и прахови бури, които могат да застрашат мисията.

Демонстрационната „мисия” на ФИДО е повече от успешна. Тя  тренира екипа и той вече може да се справя във всякакви условия и при всякакви  трудности.

2003 година идва. Трудностите тепърва предстоят. Марсоходите трябва да излетят на борда на ракета Делта 2 и работата по тях трябва да привърши колкото се може по-скоро, но в последния момент възникват технически проблеми. Научни инструменти и на двата марсохода спират да функционират.

По неизвестни причини нито едно голямо онлайн списание не беше отразило проблема, което е странно, но вестник Телескоп някак си се беше добрал до тази информация. Вестникът класифицира проблема като „много сериозен, марсоходите може да не излетят”. Впоследствие се оказа, че повредите не са чак толкова големи и са отстранени бързо (според сайта на марсоходите, хостван от университета Корнел).

Скоро се появява още един, много по-сериозен проблем. Не е ясно дали кабелите на компютрите са закрепени здраво, дали има лоши спойки и  така нататък… Марсоходите трябва да се разглобят изцяло, да се проверят кабелите и чак тогава да се подготвят за излитане.

За капак на всичко се оказва, че за втория марсоход няма ракета! Същата година е катастрофата на совалката Колумбия, което води до каша с графика на изстрелванията. През април месец трябва да излети инфрачервеният телескоп Спицер, но тъй като ракетата за втория марсоход няма да е готова до стартовия прозорец, ръководителите решават да вземат ракетата на Спицер и да прехвърлят полета на марсохода към нея. Спицер ще трябва да почака до август.

Едно от важните събития малко преди излитането е избирането  на по-поетични и звучни имена за марсоходите. Единият получава името Спирит, а другият – Опортюнити.

Подготовката за изстрелването продължава без особени  проблеми. След две отлагания вследствие на лошо време Спирит излита на 10-ти юни.

При изстрелването на Опортюнити има значителни затруднения. Лошо време, проблеми с изолацията на ракетата и повредена батерия отлагат полета няколко поредни пъти. Накрая Опортюнити се отправя към Марс на 7-ми юли.

Изстрелването е факт, корабите са на път към Марс. Но дали ще успеят да пристигнат безпроблемно? Първо, трябва да бъдат направени няколко корекции на полета. Ракетата се изстрелва така, че части от нея (горните степени) да не попаднат на Марс по невнимание и да пренесат земни микроорганизми. При това корабите, носещи Спирит и Опортюнити също следват  траекторията, която би ги отвела по път, който ще пропусне планетата. Първата корекция на полета премахва това несъответствие. Следва корекция, която намалява спина (околоосното въртене на кораба). След тях малко преди пристигането се правят няколко малки корекции за по-точно определяне мястото на кацане.

По време на пътуването се случва нещо неочаквано – голямо слънчево изригване. Подобни явления са крайно нежелателни, защото повреждат космическите кораби. Японският орбитален апарат Нозоми към Марс вече беше повреден необратимо от предишни слънчеви изригвания. От ръководството на мисията не споменаха нищо по въпроса, затова аз (човекът, който пише тази статия) реших да се свържа с тях. Изминаха няколко дена преди да ми отговорят и да ме успокоят, че те са предвиждали подобни случаи и са изпратили команди до корабите да изключат временно слънчевите си батерии и да минат към автономно захранване. Това ги е и предпазило.

Последният проблем, който се проявява при пътуването е лека повреда в спектрометъра на Мьосбауер на Спирит. Не е ясно от какво е предизвикана, но след кацането изглежда като че се е отстранила от само себе си.

 

„Шестте ужасяващи минути”

Трети януари – денят на кацането на Спирит най-после идва. Последни приготовления… и всичко е в рамките на реда. Престои най-рискованата част от цялата мисия – Спирит трябва да намали скоростта си от около 14 километра в секунда до нула метра в секунда по време на спускането и кацането. Това е момент, когато нито учените, нито инженерите могат нещо да направят, ако нещо се обърка. Единственото, което остава, е да чакат.

Към стреса, който преживяват всички, се добавя и още нещо – опитът на британския модул Бийгъл 2, изготвен от проф. Колин Пилинджър, да кацне на Марс на 25-ти декември посредством подобна система от парашути и въздушни възглавници, беше неуспешен. Принципно от всички апарати, пращани към Марс, само една трета успяват. Никой не желае Спирит да се провали в момента, когато е толкова близо до Марс.

Цялото кацане ще свърши в рамките на шест минути – метафорично наричани „шестте ужасяващи минути”. Това са най-дългите минути в живота на хората от проекта. През това време те следят телеметрията, изпращана от кораба.

Спускаемият модул се отделя от степента с двигателите и слънчевите панели, защото тя повече не е нужна. Скоро след това навлиза в атмосферата. Парашутът успешно се отваря. Топлинният щит се отделя и възглавниците се разгъват. Когато започва подскачането на повърхността, сигналът изчезва за малко, но скоро се появява отново. Радостни възгласи в контролната зала – Спирит се е приземил успешно!

 
Eдна от първите снимки на Спирит

 

Софтуерни проблеми

Скоро след като Спирит каца и започва да проучва скалите в района, сигналът е загубен. Причината за това не е ясна, но скоро връзка с орбиталната сонда Марс Одисей е установена. Наземният екип стига до извода, че има софтуерен проблем, свързан с препълването на флаш паметта. Компютърът се рестартира почти непрекъснато. След изключване на флаш паметта от работата на марсохода и препрограмирането на бъгавия софтуер, проблемът се оправя.

 

Втори марсоход се присъединява

Шестте ужасяващи минути приключват и за Опортюнити. Марсоходът каца на дъното на малък кратер и започва да проучва района.

   
Една от първите  снимки на Опортюнити

Ето подробно описание на инструментите, които притежават двата марсохода:

Pancam– панорамна камера. Камера, която може да прави снимки с висока разделителна способност. Камерата притежава филтри за съставянето на цветни изображения. Разполага се на върха на голяма мачта. Най-мощната камера, изпращана на повърхността на друга планета. Разделителната способност е три пъти по-голяма от тази на Патфайндър. Обект с размер един милиметър, разположен на разстояние три метра от камерата, може да бъде заснет без проблеми. Само по този начин могат да се забележат дребни детайли, като слоеве на скалите, климатични промени и прочие.

Mini-TES– съкращението идва от Малък спектрометър за температурни емисии (на английски – Mini-Thermal Emission Spectrometer). Разполага се в основата на мачтата. С помощта на инструмента ние можем да добием представа кои скали се нагряват повече, кои по-малко и как изстива марсианската повърхност през нощта.

APXS– съкращението идва от Спектрометър алфа-частици и рентгеново излъчване (на английски – Alpha-Particle X-ray Spectrometer). С помощта на този уред се прави химичен анализ на скалите – могат да бъдат определени всички елементи на дадена скала без водород.

Mossbauer spectrometer– Спектрометър на Мьосбауер. Един от най-важните инструменти. С него определяме процентното съдържание на желязо и железни соли в скалите, а също така и магнитните свойства на материала, който се изследва.

RAT– инструмент  за шлифоване на скалите (Rock abrasion tool). С помощта му се премахва слоят прах, който покрива скалата, освен това той притежава устройство за пробиване на скалата. Така можем да установим вътрешната структура на скалата.

Microscopic imager– камера, която прави черно-бели снимки с много висока разделителна способност, сравнима с тази на светлинен микроскоп. С помощта на този инструмент ние можем да разберем важна информация за вътрешната структура и еволюцията на скалния материал.

 

Откритията

Въпреки че това е статия, посветена на марсоходите в технологичен аспект, не можем да не споменем някои от най-важните открития на  мисията.

Изглежда, че в миналото на Марс наистина е текла вода и е имало океани и морета. Те обаче са били относително плитки. Има високопланински региони, до които никога не е достигала вода. Не е ясно дали водата се е задържала за достатъчно дълго време, за да се формира живот в някаква степен. Тази задача трябва да я решат бъдещите експедиции.

Марсоходите откриха, че минералният състав на Марс е по-богат, отколкото се предполагаше преди. Неочаквано беше открит минералът ярозит  – който се формира само в присъствието на течна вода. На Марс има големи залежи от хематит, а също така  и на калциеви соли. Вулканичната дейност е изиграла важна роля в еволюцията на планетата.

 

Бъдещето

Като заключение можем да кажем, че технологията на Спирит и Опортюнити е достатъчно надеждна за изпращането на марсоходи и научни прибори. Тя обаче не може да се използва при изпращането на голям товар и като резервна система при авария на пилотиран космически кораб – поне не и на Марс. Бъдещите космически кораби най-вероятно няма да разчитат на нея в голям аспект – Феникс  през 2007 г. ще каца с помощта само на спирачни ракетни двигатели. Марсианската лаборатория ще каца посредством нова технология – небесен кран, за която ще стане въпрос друг път в списанието. А за пилотираните експедиции – все още не е ясно какво ще се разработи и как ще изглежда. Каквото и да е – то трябва да е достатъчно надеждно, за да можем да осигурим на астронавтите спокойствие и сигурност.


Европейска нощ на учените 2022 г.: