 |
| (c) NASA |
Є дуже серйозний привід відволіктися від розмов про древні міжпланетні місії. Дуже скоро, 6 серпня 2012, 5:31 UTC (*1), завершиться чергова спроба посадити на Марс зонд землян, марсохід -- Mars Scientific Laboratory (MSL) "Curiosity" ("Допитливість" або "Допитливий" чи "Допитлива" -- всі космічні апарати, в англомовних країнах, традиційно, жіночого роду).
Момент напружений -- Марс угробив більше половини своїх автоматичних дослідників. Марсохід великий, дуже дорогий (2.5 мільярди доларів), містить безліч цікавих приладів, експериментів, як їх називають розробники. Для посадки використовується доволі складна система. Простіші, якими користувалися попередні успішні марсіанські місії, ("Вікінги", "Pathfinder/Sojourner", Mars Exploration Rovers (MER) "Spirit" та "Opportunity", "Phoenix"), не підходять -- він важкий та великий. Якщо з ним щось станеться (а статися може безліч речей, хоча розробники постаралися передбачити максимальну кількість капостей), наступного чекатимемо довго. Десятиліття і більше. Можливо, дуже довго -- через кризу бюджет НАСА і так постійно урізається, аварія такого дорогого проекту може простимулювати подальші скорочення фінансування міжпланетних досліджень.
Як не смішно, я теж хвилююся. Ось і вирішив написати, яке чудо, (в тому чи іншому стані -- на шести колесах, у вигляді кратера, чи якомусь проміжному), буде на Марсі всього через кілька днів.
(Для лінивих -- можна почати з останнього відео, внизу поста, а вже тоді повернутися до тексту :)
 |
| Curiosity на поверхні Марса. Малюнок. Сподіваюся, в реальності він теж справиться. (c) NASA |
Цілі місії
Марс -- найбільш схожа не Землю планета в Сонячній системі. Досліджувати її значить взнавати багато нового і про нас самих. Тим більше, що він -- один із найкращих (разом із супутником Юпітера, Європою) відомих нам кандидатів на позаземне життя.
Задачі "Curiosity", якщо дуже коротко, наступні:
- Перевірка, із суттєво вищою, ніж дотепер, точністю, чи Марс є зараз, або міг бути колись, придатним для життя, хоча б для найпростіших його форм.
- Вивчення кліматології Марса.
- Вивчення геології Марса.
- Збір інформації для майбутніх польотів людей.
Мобільна платформа
Щоб досліджувати іншу планету дуже корисно мати можливість рухатися по ній. Перші автоматичні апарати були нерухомим, по чисто технологічним причинам. Потім потроху почали рухатися -- радянські "Луноход-1" та "Луноход-2" на Місяці, американські "Pathfinder-Sojourner", "Spirit" та "Opportunity" на Марсі. MSL "Curiosity" багато більший від них всіх (ну добре, від "Луноходів" більший не на дуже багато), і багато досконаліший.
 |
| Порівняння розміру трьох марсоходів: -- запасний варіант Sojourner, що залишився на Землі, найменший; інженерна копія "Spirit" та "Opportunity", середній; інженерна копія "Curiosity" -- праворуч (відсутній RTG чи хоча б його модель). Двоє людей на фото -- Matt Robinson і Wesley Kuykendall. (c) NASA |
Довжина корпуса -- 3 м, ширина -- 2.7 м, висота разом із щоглою -- 2.2 м. Маса -- 899 кг, з них наукові прилади -- 75 кг. Шестиколісний, підвіску називають rocker-bogie, (не вмію перекласти), завдяки їй марсохід доволі стійкий і може долати перешкоди, вдвічі більші за діаметр колеса, не відриваючи жодного колеса від поверхні. Підвіска також служитиме для амортизації під час посадки. Кожне колесо має свій електричний двигун, а два передніх і два задніх колеса можуть повертатися повністю незалежно. Діаметр коліс - 0.5 м, матеріал -- алюміній, з титановою пружною основою. Рисунок протектора використовуватиметься, в тому числі, камерами для оцінки віддалі, що було пройдено. Він кодує азбукою Морзе слово "JPL" (·--- ·--· ·-··). (Фото тут).
Максимальна швидкість в ідеальних умовах -- 4 сантиметра на секунду (144 метри за годину). Рухаючись автономно, із самостійним уникненням небезпек, досягає менше половини цієї швидкості. "Гарантійна" дистанція (з поправкою на те, що значать гарантії на інших планетах, див. історію невдалих польотів) -- 20 км. Щоправда, "гарантійна"віддаль MER була 600 метрів (*2), при тому Spirit подолав 7.73 км, Opportunity -- більше 34 км, і все ще їздить.
Живлення марсоходу забезпечують радіоізотопний термоелектричний генератор, виду MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator). В таких генератора вловлюється теплота від радіоактивного розпаду плутонію-238 (завантажено 4.8 кг оксиду). На початку місії генеруватиме за годину 125 ват електроенергії та 2000 ват тепла , яке системою трубок (загальною довжиною 60 метрів!) передається для обігріву систем марсохода (на Марсі трохи холодно, очікується від -133 до + 27). Ця ж система може використовуватися для відводу тепла, коли стає гаряче. Всередині підтримується температура від -40 до +50. Елементи, до яких трубки тягнути було непрактично, наприклад вершина щогли, нагріваються спеціальними електричними обігрівачами. Очікуваний мінімальний час роботи генераторів -- 14 років, протягом яких, через розпад плутонію, виділення енергії впаде до 100 ват. Для забезпечення потреб у випадках, коли потужності генераторів не вистачає, використовуються два літій-іонних акумулятора, ємністю 42 ампер-години кожен.
Для обміну із Землею марсохід обладнано трьома антенами. Дві -- для безпосереднього зв'язку із станціями на Землі, (на частоті X-діапазону, 7-8ГГц), та одна для швидкісного зв'язку з орбітальними апаратами, дециметрового (UHF) діапазону. Одна з антен X-діапазону, направлена, має діаметр 30 см, її передавач використовує 15 ват, і дозволяє передачу із швидкістю більше 116 біт на секунду, якщо приймати 34-метровими антенами та 800 біт на секунду, якщо 70-метровими. (Про наземні антени та DSN -- Deep Space Network, див., наприклад, тут). Ненаправлена антена X-діапазону призначена, в першу чергу, для прийому команд -- щоб марсоход міг отримувати їх незалежно від орієнтації антени. Однак, основним методом передачі наукової інформації буде використання в ролі ретрансляторів орбітальних апаратів. У них і антени більші, і з енергією краще, і з можливістю орієнтувати їх на Землю простіше. Заплановано отримувати від марсохода по 250Мбіт на день. Можливий зв'язок як з Mars Odissey (0.25 Мбіт/с) і Mars Reconnaissance Orbiter (2 Мбіт/с), так і, в ролі запасного варіанту, з європейським Mars Express.
Ще дві антени знаходяться: на парашуті, (ненаправлена) та на перелітному апараті, (направлена). Та, що на парашуті використовувалася на відльоті від Землі та використовуватиметься під час посадки, коли неможливо забезпечити орієнтацію на Землю, решта перельоту зв'язок відбувається направленою антеною.
Комп'ютерна система, яка цим всім добром, (плюс десятком наукових приладів), керуватиме, на перший погляд доволі скромна. Складається вона із двох комп'ютерів, комп'ютера сторони (side) A і комп'ютера сторони B. Кожен з них може повністю керувати марсоходом, при чому дублювання зроблене так, що у випадку відмови одного із них, переключення відбувається дуже швидко. (Тому навіть під час посадки, коли все вирішують секунди та долі секунд, таке переключення не має стати катастрофічним -- передбачено програму "Другого шансу"). Процесор -- http://en.wikipedia.org/wiki/RAD750, який базується на захищеному від радіації PowerPC 750. Тактова частота -- 200МГц, продуктивність -- 400 MIPS, споживає 5 ват, витримує кілька тисяч грей поглинутої дози. (Разом із материнською платою -- 10 ват і 1000 грей.) Якщо що, людині вистачить 5-10 грей. Ціна, правда, відповідна -- від 200 000$ за процесор. Комп'ютери містять 256 кб EEPROM для програм, 256 Мб оперативної пам'яті та 2Гб флеш-пам'яті для тривалого збереження даних (фотографій, наприклад ;-). Зрозуміло, що вся пам'ять теж стійка до радіації. Операційна система -- VxWorks. Системі автономного керування доступно менше 75% потужності, решта використовуються для підтримки життя апарата.
Навігаційна система користується, в першу чергу, даними аж із 12 камер, (кожна вагою 250 грам). Вони діляться на два класи, навігаційні -- Navigation cameras (Navcams), розташовані на щоглі, та камери уникнення небезпек -- Hazard-Avoidance cameras (Hazcams) внизу. Генерують чорно-білі зображення, в червоному діапазоні (навколо 650 нм).
Є дві пари Navcam, розташовані вони поруч із основними науковими камерами (про них пізніше), кожна під'єднана до одного із комп'ютерів. Висота їх над рівнем ґрунту - 1.99 м (камери комп'ютера A) та 1.94 м (камери комп'ютера Б). Кожна пара служить для отримання стереоскопічних зображень, камери в ній рознесені на 42 сантиметри. Поле зору квадратне, висотою та шириною 45 градусів. Матриця CCD, 1 мегапіксель, (1024х1024 пікселів). Роздільна здатність -- 0.82 мілірадіана на піксель (для наочності -- це 2 см/піксель на віддалі 25 м). Апертура -- f/12, об'єкти будуть в фокусі на віддалях від 0.5 м до безмежності.
Марсохід обладнано також 4-ма парами камер Hazcam, по дві спереду і ззаду (*3). Одна пара і з передніх і з задніх під'єднана до комп'ютера A, інша до B. Крім уникнення перешкод, передні камери використовуватимуться для розрахунку позиціювання маніпулятора із інструментами, "руки" марсохода. Обладнані вони об'єктивами виду "риб'яче око", мають квадратне поле зору 124 градуси, глибина різкості -- від 10 см до нескінченості. Роздільна здатність -- 2.1 мілірадіан на піксель (2 см на 10 метрів). Віддаль між парами передніх камер -- 16.6 сантиметрів, висота над поверхнею -- 68 см. Між задніми -- 10 см, висота 78 см.
Всі камери Hazcam закриті захисними кришками, що відстрілюватимуться після посадки.
Рух можливий у кількох режимах В "сліпому" переміщення відбувається по команді, інформація з камер не використовується, а віддаль оцінюється лише по обертах коліс (63 см на оберт, якщо немає проковзування). Інший режим, автономний: марсохід перемістившись на невелику віддаль, зупиняє, оцінює перешкоди по зображеннях із вказаних операторами камер, і приймає рішення -- рухатися далі, обминути перешкоду, зупинитися. Крім того, Navcam можуть використовуватися для оцінки реально пройденої віддалі. Зокрема, якщо пройдено значно менше, ніж виглядає по обертах коліс, значить ковзання велике, і краще зупинитися, перш ніж зарилися в чергову дюну. (Із Spirit та Opportunity таке кілька раз траплялося.)
Крім камер, система навігації може користуватися інформацією з інерційного модуля, котрий містить три гіроскопи і може визначати орієнтацію марсохода.
На відео -- випробування інженерної моделі марсохода в пустелі. Транскрипт -- тут. (c) NASA.
Ще одна важлива частина -- маніпулятор, "рука". На її кінці знаходиться турель, де закріплено два наукових прилади та три додаткових інструменти. Вага цієї турелі - 33 кг, діаметр, разом із інструментами -- 60 см. Довжина маніпулятора 1.9 м, він має 5 ступенів вільності.
На турелі закріплено мікроскоп, Mars Hand Lens Imager (MAHLI), рентгенівський спектрометр Alpha Particle X-ray Spectrometer (APXS) та пристрої з системи забору і обробки зразків -- Sample Processing and Handling (SA/SPaH): Powder Acquisition Drill System (PADS), Dust Removal Tool (DRT) та Collection and Handling for In-situ Martian Rock Analysis (CHIMRA).
The Powder Acquisition Drill System (PADS) -- ударне свердло, яким з каміння добувається матеріал для аналізу. Може отримувати зразки із глибини аж до 5 см. Діаметр 1.6 см. Прилад дробить каміння на порох (тому й Powder Acquisition), достатньо дрібний для двох наукових приладів всередині марсохода -- Sample Analysis at Mars (SAM) та Chemistry and Mineralogy (CheMin). Скрізь тунель в свердлі порошок потрапляє до механізмів підготовки зразків. Якщо свердло застрягне у камені, його можна від'єднати та замінити на запасне. Два запасних знаходяться на передній частині корпуса марсохода.
Dust Removal Tool (DRT) -- просто металева щітка, для очищення від пилюки каменів чи "піддону" (tray) для зразків на корпусі марсохода.
Collection and Handling for In-situ Martian Rock Analysis (CHIMRA) складається з двох частин. Одна із них, ківшик шириною 4см, схожий на раковину молюска, для забору зразків ґрунту. Друга складається із камер та лабіринтів для сортування, просіювання та дозування зразків, отриманих свердлом чи ковшиком. Щоб все це відбувалося, турель повертається згідно програми, при тому спеціальні вібратори полегшують процес. Сито, в залежності від режиму, здатне пропускати частинки менше 1 мм або менше 0.15 мм.
Піддон (tray) на марсоході дає можливість аналізувати зібрані зразки за допомогою APXS та MAHLI. Згадані наукові прилади буде розглянуто трішки пізніше.
На наступних відео показано, на прикладі інженерної моделі MSL, як може відбуватися забір зразків. (c) NASA, (1, 2), транскрипти -- тут і тут.
На відео, крім власне динаміки, можна побачити, як виглядає турель, ковшик, піддон для зразків; де розташовані камери і т.д.
Наукові інструменти
Вся описана вище машинерія служить єдиній цілі -- доставляти наукові інструменти до місця призначення, зберігати результати їх роботи та передавати на Землю. Набір інструментів великий. Розглянемо його.
 |
| Схема марсохода. Взято тут. Robotic Arm -- маніпулятор, High Gain Antenna -- направлена антена, RLGA Antenna -- ненаправлена антена, RUHF Antenna -- антена для зв'язку із орбітальними апаратами. Решта абревіатур розшифровано у тексті. |
Найбільшою популярністю, безперечно, користуються камери. Всього їх 17. Крім 12 навігаційних, про які вже говорилося, ще є 5 наукових: пара MastCam, мікроскоп Mars Hand Lens Imager (MAHLI), посадочна камера MSL Mars Descent Imager (MARDI, та ChemCam для хімічного аналізу. Розглянемо їх.
| Відео про камери Curiosity, від Emily Lakdawalla з Planetary Society. |
Mast Camera (Mastcam). Головні камери марсоходу. Двомегапіксельні, 1600×1200. Можуть знімати відео, 4-7 кадрів на секунду за роздільної здатності 720p (1280×720), з автоматичним апаратним стиснення. Одна із камер, Medium Angle Camera (MAC), має фокусну віддаль 34 мм, поле зору 15x18 градусів, і роздільну здатність 22 см/піксель на віддалі 1 км чи 0.45 мм на віддалі 2 м. Друга, вузькокутна, Narrow Angle Camera (NAC), із фокусною віддаллю 100 мм, полем зору ~5x6 градуса, і роздільною здатністю 7.4 см/піксель на віддалі 1 км чи 0.15 мм/піксель на 2м. Кожна камера має 8 Гб флеш-пам'яті для збереження фотографій. Використовується апаратне стиснення зображень, як без втрат, так і з втратами, на манер JPEG. Існує можливість попередньої пересилки зменшених зображень (thumbnail frames), 150х150 пікселів, для оцінки, котрі із них передавати. Автофокус дає чітке зображення на віддалях від ~2 м до безмежності. Висота камер над поверхнею -- 2 м, віддаль між ними -- 25 см.
Кожна з камер має світлофільтри Баєра: матриця покрита плівкою із трьома основними кольорами, червоним, зеленим та синім, тому камери можуть знімати одночасно в трьох кольорах. Крім того, є звичні коліщатка із фільтрами, що пропускають вузькі області видимого та ближнього інфрачервоного світла та один фільтр, який дає камерам можливість дивитися на Сонце -- для вимірювання кількості пилу в атмосфері. На поверхні марсохода розташовано еталони для калібрування кольорів та балансу білого-сірого. Еталони магнітні, виготовлені так, щоб відштовхувати намагнічену марсіанську пилюку. Освітлення на Марсі дещо не таке, як на Землі -- більше червоного кольору. Завдяки калібрувальним еталонам, можна відтворювати як вигляд поверхні з точки зору людини, що стоїть там, так і (перекалібрувавши по балансу білого-сірого), так як би поверхня виглядала при земному освітлення.
MAC здатна зробити повну панораму за 25 хвилин, потрібно на це 150 фото. Якщо я правильно зрозумів, камери здатні працювати під час руху.
Взагалі, кожній камері планувалося надати можливість регулювання фокусної віддалі, однак через бюджетні обмеження цю можливість викинуто, одній камері вибрали фокусну віддаль поблизу однієї границі, іншій -- поблизу другої.
Chemistry and Camera (ChemCam). Інструмент для лазероспричиненої спектроскопії (Laser-induced breakdown spectroscopy) (*4). Спеціальний лазер випаровує крихітну порцію породи, випромінювання плазми, що при цьому утворюється, аналізується спектрометром. Віддаль -- до 7 м. Під час лазерного імпульсу, протягом 5 мільярдних часток секунди, на площу розміром з головку булавки, потрапляє потужність, більша за мільйона ват на секунду. Зображення спалаху потрапляє у телескоп, (remote micro-imager, RMI), призначення якого, поміж іншого, зробити контекстне зображення місця зняття спектру, далі, по 6 м оптоволокна, до трьох спектрометрів всередині корпуса марсохода. Спектрометри вимірюють інтенсивність випромінювання в 6 144 точках спектру між 240 і 850 нм.
Для досягнення прийнятної точності використовуватимуться десятки імпульсів. Крім того, якщо камінь вкритий пилюкою, сотні імпульсів цілком здатні очистити його. Зразу можна буде порівняти спектри пилюки та самого каменя.
Діаметр телескопа -- 110 мм, зображення чорно-білі, 1024х1024 (1 мегапіксель). Роздільна здатність -- 1 мм/піксель на віддалі 10 м, за поля зору 22 см. Телескоп може використовуватися незалежно від лазера.
Пристрій може детектувати калій, магній, алюміній, кремній, кальцій, натрій, титан, марганець, залізо, водень, кисень, берилій, літій, стронцій, азот і фосфор. Також, детектує наявність води, як вільної так і у складі мінералів.
ChemCam дає можливість досліджувати віддалені зразки, як щоб вибрати, куди рухатися, так і для того, щоб дослідити місця, недоступні марсоходу -- круті схили, ущелини і т.д.
MSL Mars Descent Imager (MARDI).
Камера, направлена вниз. Останні кілька хвилин перед посадкою, від висоти 3.7 км до 5 м, зніматиме, що там внизу. Кольорова, містить Баєрівські фільтри, 1600×1200 пікселів, поле зору -- 75х55 градусів (часто згадувані 90 градусів -- це поле зору оптики, не все зображення потраплятиме на матрицю). Частота кадрів - 5 на секунду, витримка - 1.3 мс. Роздільна здатність -- 0.75 мілірадіан, на один піксель припадатиме 1.5 м з висоти 2 км, або 1.5 мм з висоти 2 м.
Дасть можливість науковцям побачити у різних масштабах місце, куди приземлилися, краще прив'язати орбітальні фото до отриманих з поверхні та швидше знайти точне місце "примарсення". Інженерам дасть важливу інформацію про динаміку спуску.
Має свою флеш-пам'ять, розміром 8Гб, якраз для приблизно 4000 "сирих" фото (800 секунд відео).
Перший кадр зображатиме тепловий екран, який якраз відстрілюватиметься. (Процедуру посадки описано нижче.) Після посадки зможе знімати поверхню під марсоходом, хоча буде трішки не в фокусі. При тому висота над ґрунтом буде 70 см, поле зору -- 100х75. Ії присвячена окрема стаття в блозі Емілі на Planetary Society -- "Curiosity's seventeenth camera: MARDI".
Mars Hand Lens Imager (MAHLI). Мікроскоп. Знаходиться на турелі маніпулятора. Кольорова камера, механічне регулювання фокуса від 21 мм до безмежності. Матриця -- 1600×1200 пікселів. На мінімальній віддалі роздільна здатність -- 14 мікрон, поле зору -- 2.2х1.7 см. На віддалі 1 м -- 0.5 мм та приблизно 70х55 см, відповідно. Завдяки можливості фокусування на безмежність та довгій "руці" маніпулятора, можна робити автопортрети марсохода, документувати процеси на ньому, такі як відкривання входів для забору зразків. Вміє робити фото в режимі focus stacking -- кілька послідовних фотографій (до 8) із різним фокусуванням, для підвищення глибини різкості у обробленому зображенні. Це сильно економить міжпланетний трафік. Має свою підсвітку, два набори світлодіодів, білі -- для зйомки в темряві чи в тіні та ультрафіолетові (365 нм), для виявлення флуоресценції. Для фотографій обладнаний 8Гб "флешкою". На корпусі марсохода змонтовано калібрувальний еталон для цього мікроскопа.
Коротко підсумовуючи -- цінний пристрій і для геологів і для інженерів.
Камерами наукові прибори, звичайно, не обмежуються.
Відео про невізуальні експерименти на борту Curiosity,
від Emily Lakdawalla з Planetary Society.
від Emily Lakdawalla з Planetary Society.
Chemistry and Mineralogy (CheMin). Пристрій для дослідження зразків, пороху, добутого свердлом на турелі маніпулятора, рентгеноструктурними методами -- рентгенівською дифракцією та рентгенофлуоресцентним аналізом. Картина дифракції дає можливість визначити природу та вміст мінералів, а наступний флуоресцентний аналіз визначити відносну присутність хімічних елементів.
Інструмент знаходиться всередині марсоходу, важить 10 кг і є приблизно кубом із стороною 25 см. Зразки, добуті свердлом (PADS), просіюються, залишаючи частинки розміром менше 0.15 мм і засипаються у пристрій через спеціальний отвір спереду марсохода. Там вони потрапляють у дископодібні комірки з прозорого пластику, товщиною в міліметри та діаметром близько десятка міліметрів. Розмір одного зразка -- з таблетку аспірину. На спеціальному диску розташовано 32 таких комірки. З них 5 містять калібрувальні еталони, привезені з Землі, решта можуть використовуватися для зразків. Комірки багаторазові. Під час аналізу комірка вібрує, з частотою близько 200 Гц, щоб пилинки не залишалися у спокої, повертаючись до пристрою різними сторонами.
Рентгенівські промені генеруються під час ударів швидких електронів об кобальтову мішень. З протилежного від випромінювача боку зразка знаходиться приймач, охолоджений до -60С. Розсіяння первинних рентгенівських променів дає уявлення про кристалічну структуру мінералів. Вторинні, перевипромінені зразком, про присутні хімічні елементи. Може надійно детектувати багато мінералів та хімічні елементи, важчі за натрій. Може визначати відносну присутність елементів, наприклад частку заліза відносно магнію в олівіні. Мінімальна кількість мінералів в зразку, доступна виявленню -- 3%. Може виявляти некристалічні матеріали, наприклад вулканічні гази, адсорбовані у зразку.
Час одного аналізу -- 10 годин збору даних. Може розбиватися на кілька днів.
Sample Analysis at Mars (SAM). Призначений для аналізу органічних речовин, як в твердих зразках з поверхні, так і в зразках атмосфери. Складається з трьох приладів, про призначення яких трішки пізніше:
- Квадрупольний мас-спектрометр, Quadrupole Mass Spectrometer (QMS), з діапазоном 2-535 атомних одиниць маси.
- Газовий хроматограф, Gas Chromatograph (GC).
- Tunable Laser Spectrometer (TLS) - переладо́вний (*5) лазерний спектрометр.
Зразок, добутий свердлом (PADS), подається в один із двох вхідних тунелів, із гладкими полірованими стінками, які ще й вібрують, для кращого засипання матеріалу. Всередині він потрапляє у систему маніпулювання зразками (Sample Manipulation System, SMS), яка має в своєму розпорядженні 74 комірки для зразків, ємністю 0.78 кубічних сантиметра кожна. Система ця дуже складна, з купою труб, резервуарів із газом-носієм, нагрівачів, вакуумних насосів, датчиків температури та тиску, і т.д. і т. п.
51 із 74 комірок -- кварцові, їх можна нагрівати до високих температур. Зразок у них нагрівають до 1000С. В процесі відбувається виділення газів, за яким неперервно слідкує мас-спектрометр, QMS. Зокрема, він вимірює концентрацію азоту, фосфору, сірки, кисню, водню та вуглецю -- типових біогенних елементів. Частина газу направляється в TLS, призначення якого -- вимірювати співвідношення різних ізотопів одного елемента, наприклад вуглецю, С13 і С12, чи кисню, О16 і О18. Як відомо, для матеріалів, що походять з біологічних систем характерні нетипові співвідношення цих ізотопів. Зокрема, якщо буде зафіксовано метан, який нещодавно виявлено в атмосфері Марса, можна буде перевірити, чи не має він біологічну природу (є підстави вважати, що він в атмосфері дуже швидко розкладається, а значить має і поповнюватися). Частина газу направляється до спеціальної пастки для органічних сполук, для збільшення концентрації, після чого направляється до хроматографа, який розділяє елементи по фракціях (для збільшення точності аналізу) та передає мас-спектрометру. Після аналізу таку комірку можна підготувати до повторного використання
6 комірок містять калібрувальні зразки. Також SAM містить запас калібрувальних газів.
9 комірок використовуються для "мокрих" методів аналізу. Спеціально підібраний набір розчинників та реагентів служить для дериватизації, переведення в летку форму великих органічних молекул (якщо такі буде знайдено), значно більших, ніж можна випарувати нагріванням, не зруйнувавши. Реагенти подаються в комірку, потім засипається порох, добутий свердлом і суміш помірно нагрівається. Далі, виділені гази аналізуються за тими ж принципами, що і "високотемпературні" зразки. Зрозуміло, що ці комірки -- одноразові.
Чутливість SAM настільки висока, що він здатен виявити молекули у частках 1 на мільярд! Він багато чутливіший, ніж прилади на славнозвісних "Вікінгах". Крім того, йому доступний значно ширший спектр сполук, та й зразки він може знаходити сам, а не тільки підбирати те, до чого може дотягнутися "лапа" стаціонарного апарата.
Зокрема, якщо органіки він таки не виявить -- це буде дуже серйозно, тому що органіка в концентраціях, значно вищих від порогових, присутня в космосі від чисто абіогенних процесів. Її відсутність значитиме, що є якісь активні руйнівні чинники.
Для калібрування, перевірки чи не привезли ми органіку із собою з Землі, використовуються спеціальні еталонні зразки, з діоксиду кремнію, "засіяного" фтор-органічними сполуками, які не трапляються в природних умовах на Землі і не мали б траплятися на Марсі. Вони будуть "добуватися" свердлом так само, як і звичайні зразки та аналізуватися SAM. Якщо аналіз виявить щось, крім згаданої фтор-органіки, це буде забруднення земного походження. На нього доведеться вводити поправку, впаде довіра до результатів, що завжди неприємно. Якщо ж нічого, крім фтор-органіки не буде -- система чиста від земних забруднень, при тому функціонує нормально -- фтор-органіку ж побачила. Подібний тест можна буде провести 5 раз протягом місії.
Детальніше про прилад можна почитати тут: "Sample Analysis at Mars (SAM)" та на його офіційній сторінці.
Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS). Опромінює зразок альфа-частинками та детектує рентгенівське випромінювання яке виникає в результаті. Розташований на турелі маніпулятора. Вміє детектувати присутність хімічних елементів, від натрію до стронцію. Протягом 10-хвилинної сесії здатен виявляти елементи з концентрацією більше 0.1%. Під час довгої, тригодинної, сесії, 1/100 000 (0.001%) і менше. Джерело альфа-частинок -- кюрій-244, 700 мікрограм з активністю 60 мілікюрі та періодом напіврозпаду 18.1 років. На відміну від аналогічного детектора на марсоходах MER, має охолоджувачі, тому може працювати і днем.
Всілякі хитрі техніки аналізу використовуються для виявлення елементів, типу кисню, які так просто цим методом не виявляються. Діаметр датчика -- 1.7 см, детектує легкі елементи на глибинах до 5 мікрон, важкі - до 50 мікрон. Крім безпосереднього контакту, може розташовуватися на віддалі 1 см від ґрунту. Володіє певною автономією -- вміє підбирати оптимальну віддаль до зразка, або сканувати певну поверхню, відшукуючи найцікавіші місця (наприклад, із потрібним співвідношенням заліза до сірки).
Шматок базальту на марсоході буде використовуватися для перевірки та калібрування пристрою.
Rover Environmental Monitoring Station (REMS). Метеостанція. Вміє вимірювати швидкість вітру, відносну вологість, температуру повітря та поверхні, інтенсивність ультрафіолетового випромінювання. Планується проводити виміри мінімум 5 хвилин кожної години, протягом хоча б одного марсіанського року.
Детектори температури та вітру розташовані на парі горизонтальних "пальців", посередині щогли. Кут між ними -- 120 градусів. Завдяки такому розташуванню, датчики вітру вздовж трьох перпендикулярних напрямків можуть виміряти його напрямок та швидкість, навіть якщо їх частково заступатиме щогла. Крім того, на передньому "пальці" є датчик вологості, а на задньому -- інфрачервоний датчик для виміру температури поверхні. Датчик тиску знаходиться в корпусі марсохода, із зовнішнім світом з'єднаний спеціальною, захищеною від пилу, трубкою. Датчик ультрафіолету -- на корпусі, зверху. Він може вимірювати інтенсивність ультрафіолетового випромінювання у шістьох діапазонах, включаючи ті, які з орбіти вимірює Mars Reconnaissance Orbiter.
Radiation Assessment Detector (RAD). Пристрій для оцінки радіаційної обстановки на поверхні. Єдиний прилад на марсоході, що почав збирати дані ще знаходячись біля Землі -- для оцінки радіації всередині космічного апарата, який знаходиться в космосі, на траєкторії перельоту до Марса. За його допомогою можна оцінити, наскільки радіація на Марсі (і по дорозі до нього) небезпечна як для живого взагалі, так і для майбутніх дослідників-людей.
Являє собою своєрідний телескоп, направлений вверх. Може детектувати високоенергетичні частинки із масою аж до атомів заліза, включаючи нейтрони та гамма-кванти. Заплановано, що він працюватиме мінімум 15 хвилин кожну годину.
Dynamic Albedo of Neutrons (DAN). Пристрій для пошуку води, як вільної, так і гідратованої в мінералах, що знаходиться не дуже глибоко під поверхнею. Напрямлений строго вниз, вистрілює пучками нейтронів та заміряє, як вони розсіюються. Може виявляти зв'язаний водень аж до глибини 50 см. Межа чутливості -- 0.1% вмісту води. Схожі інструменти використовуються у геологорозвідці нафти. Схожий інструмент є на борту орбітального апарата "Odyssey". Може покладатися, як і "Одісей", на галактичні джерела нейтронів, але вміє генерувати свій власний пучок. Імпульси нейтронів тривають 1 мікросекунду, можуть генеруватися з частотою до 10 Гц. Протягом місії може згенерувати 10 млн імпульсів, із 10 млн нейтронів у кожному. Про принцип дії таких генераторів нейтронів - див. сюди, якщо коротко -- між матеріалом, що випромінює альфа-частинки, та певним легким елементом, типу берилію, розташовується металева пластинка. Коли її забрають, альфа-частинки попадають на легкий елемент, "вибиваючи" із нього нейтрони. Планується, що пристрій будуть вмикати під час коротких зупинок в процесі руху і на стоянках.
Ще одним важливим науково-інженерним пристроєм, який не знаходиться безпосередньо на марсоході, є MSL Entry, Descent and Landing Instrument (MEDLI), набір сенсорів, розташованих у тепловому екрані апарата. Вони проводитимуть виміри 8 раз на секунду, починаючи від 10 хвилин до контакту з атмосферою і до відкриття парашута, 4 хв. після входу в атмосферу. Призначення інструмента -- краще зрозуміти структуру верхньої атмосфери Марса, динаміку спускних апаратів у ній. Це має і наукову -- для розуміння природи Марса і інженерну -- для побудови кращих спускних апаратів, цінність.
Складається він із 7 датчиків тиску (Mars entry atmospheric data system sensor, MEADS), 7 наборів датчиків температури (Mars integrated sensor plug, MISP), та відповідної електроніки. Кожен набір датчиків температури має 4 сенсори на різних глибинах всередині теплового екрану та датчик його вигорання під час спуску від тертя об атмосферу (принцип його дії мені вияснити не вдалося).
Переліт
Він вже майже закінчився, тому дуже коротко.
Запущено на двоступеневій ракеті Atlas V 541, 26 листопада 2011, на другий день стартового вікна, яке тривало від 25 листопада до 18 грудня. Момент старту вибирався так, щоб не тільки потрапити на Марс, але й щоб під час посадки орбітальні апарати могли приймати телеметрію, для діагностики проблем, якщо посадка завершиться невдачею.
Тривалість перельоту -- 254 днів. В дорозі апарат виглядає так, як на рисунку.
 |
| Перелітна конфігурація. (с) NASA |
 |
| Перелітна конфігурація -- "розібрана". (c) JPL/NASA, переклад хоч і кострубатий, але мій. |
Його призначення -- керувати польотом, проводити корекції траєкторії та здійснити посадку. Під час польоту було здійснено 4 корекції, є нагода ще для двох:
 |
| Траєкторія перельоту. TCM -- Trajectory Correction Maneuver, маневр корекції таекторії. (c) NASA |
Залишилося ще зовсім трішки. Чекаємо.
Посадка -- Entry, Descent and Landing, EDL.
Entry, Descent and Landing. Вхід (а атмосферу), спуск і посадка. Найбільш небезпечна частина. Офіційне відео, що її ілюструє, так і називається: "The Challenges of Getting to Mars: Curiosity's Seven Minutes of Terror" (воно -- трішки нижче).
Посадка на Марс -- справа взагалі важка. Атмосфера досить густа, щоб в ній згоріти, тому слід використовувати теплові екрани, на манер тих, що використовуються під час повернення космонавтів на Землю. З іншого боку, вона занадто розріджена, щоб посадка могла відбутися на парашутах до самого кінця. Крім того, атмосфера ще й дуже мінлива. Тому, для досягнення прийнятної точності, попадання у задану ціль -- точку на поверхні, цього разу, вперше за всю історію досліджень Марса, система посадки активна, може коригувати траєкторію. Очікуваний еліпс попадання -- 20х7 км, значно краще ніж 150х20 км для пасивної системи марсоходів MER Spirit та Opportunity.
Крім того, марсоход MSL Curiosity по справжньому великий, найбільших із запущених у космос, його тепловий щит має діаметр 4.5 мерти (проти 4-х метрів у "Аполлонів"!). Тому обійтися мішками із газом для амортизації, як робили MER, не вдасться, посадка мусить бути активною.
 |
| Entry, Descent, Landing -- Вхід, Спуск, Посадка. Клікабельно! (c) JPL/NASA Стадії посадки. Деталі -- в тексті. Перекласти текст на картинці виявилося складно -- вона кольорова, а часу в мене доволі мало, тому вирішив схалявити -- не перекладати, так як всі етапи пояснено в тексті. Якщо є велика потреба -- пишіть, виправлюся. |
Починається EDL приблизно за 10 хв до входу в атмосферу, з відділення польотної частини. При цьому апарат наближається до Марса із швидкістю 5 900 метрів на секунду. До моменту посадки мине хвилин 17. Для ілюстрації складності процесу: за цей час повинно спрацювати 76 піропатронів, що відстрілюватимуть різні, вже непотрібні частини.
Точка входу в атмосферу розташована на (умовній - атмосфера розмита) висоті 131.1 км відносно точки приземлення, (125 км відносно середнього рівня Марса), але 630 км в східній стороні від неї. Ці 630 км апарат подолає за 7 хвилин, постійно сповільнюючи свій політ.
1. Керований вхід
Як вже згадувалося, 10 хвилин до контакту з атмосферою відстрілюється польотна частина. Через хвилину двигуни зупиняють "дорожнє" обертання апарата та розвертають його переднім тепловим екраном в сторону руху. Після повороту від задньої частини відстрілюються дві вольфрамові противаги, вагою 75 кг кожна. Під час польоту вони центрували апарат для кращої керованості, однак під час спуску, зміщення центра мас відносно геометричної осі симетрії дасть можливість генерувати підйомну силу, завдяки якій можна і спуском керувати і більшу масу посадити. На стадії керованого входу 4 комплекти невеликих двигунів (сила до 500 Н на пару) у задній частині теплового екрану, користуючись для визначення прискорення інформацією від інерційного модуля, нахиляють апарат, компенсуючи як вертикальні так і горизонтальні відхилення від заданої траєкторії. Зрозуміло, що все це відбувається автоматично -- до Землі задалеко!
Кілька слів про невизначеність стану атмосфери. Від моменту контакту, посадка може тривати від 380 с до 460 с, відповідно зсуваючи часи подій, описаних далі. Найбільш невизначеним є час спуску під парашутом -- від 55 до 170 секунд. Нижче описано хронометрах для посадки, тривалістю 416 секунд.
В момент найбільшого нагрівання від тертя об атмосферу -- приблизно 75 секунд після входу, зовнішня частина теплового екрану прогріватиметься до 2100С. Найбільше прискорення буде секунд через 10 після цього. Воно може досягати 15 g, хоча очікується, що не більше 10-11 g.
Після завершення керованого входу, кілька секунд перед випуском парашута, відстрілюється ще один набір (6 по 25 кг) вольфрамових противаг, відновлюючи центрування апарату.
Парашут, діаметром 21.5 (!) метрів, відкриється 254 секунди після початку входу в атмосферу, на швидкості 405 метрів на секунду (число Маха - приблизно 2). Через 24 секунди, на висоті приблизно 8 км та швидкості 125 м/с, відстрілюється передній тепловий екран -- він виконав свою функцію, немає потреби тягнути його із собою далі, та вмикається камера MARDI. Потім радар системи фінального спуску (terminal descent system) починає збирати дані про висоту та швидкість.
Ще через 85 секунд відділяється задній тепловий екран, разом із парашутом. Перед тим 8 посадочних двигунів готуються, запустившись та працюючи на 1% потужності. Висота -- 1.6 км, швидкість 80 м/с. Через секунду після відділення (затримка потрібна, щоб парашут віднесло подалі) двигуни збільшують потужність. Однак, спочатку вони лише зупиняють обертання апарата, що залишилося після спуску під парашутом. Тільки на висоті 400 м розпочинається активне гальмування до швидкості 20 м/с, на якій спуск і продовжується.
На висоті 50 м гальмування знову посилюється. Після того, як двигуни сповільнять апарат до швидкості 0.75 м/с (половина швидкості середньостатистичного пішохода), посадочний блок підтримуватиме цю швидкість аж до посадки. 4 з 8 двигунів вимикаються, а решта 4 продовжують працювати на 50% потужності -- так як вони спалили вже більше половини 400-кілограмового запасу палива, без цього апарат почав би злітати, збільшувати висоту. Після цього вичікується 2.5 с, щоб згасли коливання, які виникли під час вимкнення двигунів та марсохід починає спускатися на нейлоновому шнурі, виконуючи маневр "небесний кран" (“sky crane” maneuver). Марсохід все ще керує процесом, залишається з'єднаним, за допомогою спеціального кабелю, з посадочним блоком. Довжина всіх тих шнурів та кабелів -- до 20 метрів, однак марсохід спускатиметься тільки на 7.5 м. На початку маневру "небесний кран" до посадки залишається 12 секунд. Тривалість спуску -- 7 секунд. Підвіска марсохода переходить у робоче положення. Після того, як кабель розмотався, апарат чекає 2 секунди на стабілізацію коливань і готується до посадки. Спуск триває все із тією ж швидкістю 0.75 м/с.
Коли марсохід відчуває, що встав на ґрунт, (контролюючи силу роботи двигунів, відчуває, що навантаження на них впало якраз на його вагу), він чекає одну секунду (щоб виключити можливість випадкового коливання вимірів), передає останню команду посадочному блоку, а тоді перерізує кабелі, які з'єднують їх. Посадочний блок чекає 187 мілісекунд, щоб марсохід встиг перерізати кабелі та відлітає спочатку вверх, потім під кутом 45 градусів. В результаті віддаляється мінімум на 150 метрів, ймовірно в кілька раз більше. Що цікаво, спочатку він мав летіти, поки не закінчиться пальне, але потім схему змінили, передбачивши вимкнення двигунів після певного часу. Питання, з яких міркувань? :-)
Опинившись цілим на поверхні Марса, марсохід переключається із режиму посадки на "поверхневий режим". Момент посадки: 3 години після полудня за локальним часом.
Описане вище словами виглядатиме якось так:
| "7 хвилин жаху". Конструктори системи EDL розповідають, як вона функціонуватиме. (c) NASA. Транскрипт. |
На жаль, відео, аналогічного тому, що було випущене для "Фенікса", з часовими інтервалами такими ж, як справжньої посадки, яке, запущене в правильний момент, давало можливість майже вживу бачити, що зараз відбувається на Марсі, немає... Це були незабутні відчуття -- до цих пір згадую, як я слідкував, час від часу перевіряючи, які новини з центру керування. (Див. сюди. Десь також є це ж відео, але без коментарів.)
Інженери багато працювали, щоб передбачити всі можливі капості, які можуть статися, та придумати аварійні варіанти. Програма, що керуватиме EDL, містить більше 500 000 рядків коду. Однак процедура надзвичайно складна, містить купу механічних частин, процесів, тому жодних гарантій немає.
Детальніше про посадку, EDL, можна почитати на сайті Planetary Society:
- How Curiosity Will Land on Mars, Part 1: Entry
- How Curiosity Will Land on Mars, Part 2: Descent
- How Curiosity Will Land on Mars, Part 3: Skycrane and landing
Міжпланетна екологія
Щоб не занести на Марс земні мікроорганізми, прийнято ряд мір.
1. Компоненти апарата, які потраплять на Марс, стерилізовано нагріванням (лише для стійких до нього) та протиранням спиртом, іншими розчинниками, антибактеріальними засобами. Ціль -- щоб на всій системі було не більше 500 000 бактеріальних спор (в десять раз менше, ніж їх є в чайній ложці морської води, якщо що). Сюди включаються бактерії, які знаходяться всередині, однак можуть увійти в контакт із поверхнею у випадку жорсткої посадки -- аварії.
2. Так як апарат містить джерела тепла, RTG, які будуть його виділяти навіть у випадку аварій, заборонена посадка в місцях, де до льоду чи води може бути менше метра ґрунту. Тому що, у випадку аварії, тепло разом із водою, можуть створити зручні умови для земних бактерій.
3. Щоб нестерильні елементи, зокрема ракета, яка вивела апарат на орбіту, не потрапили на Марс, їх траєкторія обирається так, щоб по ньому промахнутися, а траєкторія самого апарата коригується вже потім, після їх розділення.
Місце призначення
Вибір місця, куди відправити апарат вартістю 2.5 мільярди доларів -- справа відповідальна. Воно повинне бути, з одного боку, цікавим науково, (при тому що у кожної групи дослідників є своє уявлення, що ж таке - цікаво). З іншого боку, місце повинне бути достатньо безпечним, щоб був реальний шанс успішно там сісти.
Було розглянуто безліч варіантів, проведено безліч зустрічей (скільки при тому було сварок і конфліктів -- боюся подумати, адже для багатьох науковців-планетологів це остання нагода "побувати" на Марсі за час їхньої активної кар'єри). Про список фіналістів можна почитати тут: "Summary of the fifth MSL landing site selection meeting". Ще одна стаття на тему: "Water and the Curiosity Landing Site Candidates". (Їх було більше, але після реорганізації сайту "Планетарного товариства" не можу знайти решту). Деякі деталі процесу є і в англійській вікіпедії.
Переміг кратер Гейла (рос.).
 |
| Кратер Гейла. Еліпсом зверху показано посадочний еліпс. Десь там марсохід і опиниться. (c) NASA/JPL-Caltech/ESA/DLR/FU Berlin/MSSS |
Тобто, звичайно шкода, що інших, теж цікавих місць, від яких довелося відмовитися -- марсохід лише один, ми (поки? ніколи?) не побачимо, але кратер Гейла -- місцевість цікава та перспективна, виглядає хорошим вибором.
Пролітаючи над майбутнім місцем посадки, (с) NASA:
Додатки
Цікавинка: Назву для марсоходу вибирали під час конкурсу серед американських школярів. Слід було написати, яка назва пропонується та оповідання на її підтримку, НАСА вибирало переможця. Подано більше 9000 заявок від школярів від 5 до 18 років. Перемогла пропозиція 12-річної дівчинки, шестикласниці, Клари Ма (Clara Ma).Цікавинка: На поверхні марсохода змонтовано чіпи із 1.24 млн імен людей, що зареєструвалися (включаючи мене :), та відскановані підписи 20 000 відвідувачів, що побували у JPL та Kennedy Space Center. Зроблено це в рамках розповсюдження інформації, що таке цей MSL, для чого він, і чому це важливо.
Міжнародна співпраця: прилади на марсоході були розроблені не тільки в НАСА. Я не став описуючи їх, деталізувати, які частини звідки походять, але присутні розробки Іспанії, Росії, Франції, Канади, Германії, Фінляндії, можливо й інших країн.
Цікавинка: Маєте бажання зробити паперову модель марсохода? Тоді вам сюди: "Build your own papercraft Curiosity rover".
Посилання
Інформація для тексту вище бралася, в основному, з наступних джерел:- Офіційний сайт MSL Curiosity.
- "Набір" для преси. Дуже детальний, гарно написаний, хоча і містить ряд дрібних помилок. "NASA media press kit for the landing of the Curiosity rover on Mars".
- Блог Planetary Society за тегом "Curiosity".
- Вікіпедія: англійська, українська, російська.
- Що таке посадочний еліпс, звідки береться? (англійською)
Все вищеописане разом :-)
(c) NASA
(c) NASA
Побажаємо успіху черговому емісару Землі!
Як би це пафосно не звучало :-)
Як би це пафосно не звучало :-)
Виноски
(*3) Марсохід може переміщатися як нормально, так і задкуючи. Більше того, після поломок двигунів одного із коліс, і Spirit і Opportunity значну частину часу рухалися саме задкуючи.
(*4) Саме такий переклад "laser-induced" запропоновано тут.
(*5) Див. той же словник, що і вище.
Немає коментарів:
Дописати коментар