«Mars Pathfinder»[3] — амерыканская аўтаматычная пасадачная станцыя, даследаваўшая Марс у 1997 годзе. Станцыя складалася з пасадачнага апарата, пасля пасадкі перайменаванага ў Мемарыяльную станцыю Карла Сагана, і 11,5-кілаграмовага колавага рабатызаванагамарсаходаSojourner[4], які стаў першым планетаходам, што паспяхова працаваў па-за межамі сістэмы Зямля-Месяц.
Станцыя была запушчана NASA 4 снежня 1996 года на ракеце-носьбіце Delta II, і села 4 ліпеня 1997 года ў марсіянскай даліне Арэс, у рэгіёне пад назвай раўніна Хрыса. Затым пасадачны модуль адкрыўся, вызваляючы марсаход, які меў правесці шмат эксперыментаў на паверхні Марса. Місія мела шэраг навуковых прыбораў для аналізу марсіянскай атмасферы, клімату і геалогіі, а таксама складу парод і глебы. Кіравала місіяй Лабараторыя рэактыўнага руху (JPL), падраздзяленне Каліфарнійскага тэхналагічнага інстытута, якое адказвае за праграму NASA па даследаванні Марса.
Гэтая місія была першай з серыі місій на Марс з марсаходамі, і стала першым паспяховым марсіянскім пасадачным апаратам пасля таго, як два Вікінгі селі на Марс у 1976 годзе. Нягледзячы на тое, што Савецкі Саюз паспяхова адправіў планетходы на Месяц у рамках праграмы «Лунаход» у 1970-х гадах, яго
марсіянскія місіі з марсаходамі праваліліся.
У дадатак да навуковых мэтаў, місія Mars Pathfinder была таксама місіяй праверкі розных інавацыйных тэхналогій, такіх як прызямленне з дапамогай падушкі бяспекі і аўтаматызаванае ўхіленне ад перашкод, якія пазней былі выкарыстаны ў місіі Mars Exploration Rover. Mars Pathfinder была таксама адметнай сваім надзвычай нізкім коштам у параўнанні з іншымі місіямі па даследаванню Марса. Першапачаткова місія была задумана як першая ў праграме Mars Environmental Survey (MESUR).
Мэты місіі
Даказаць, што распрацоўка «хутчэйшага, лепшага і таннейшага» касмічнага апарата магчымая (тры гады распрацоўкі і кошт менш за 150 мільёнаў долараў на пасадачны апарат і 25 мільёнаў долараў на марсаход[5]).
Паказаць, што з дапамогай простай сістэмы і ў 1/15 кошту місіі Вікінгаў можна адправіць тузін навуковых прыбораў на іншую планету. Для параўнання, місіі Viking каштавалі 935 мільёнаў долараў у 1974 годзе,[6] што адпавядала 3,5 мільярда долараў у 1997 годзе.
Прадэманстраваць прыхільнасць NASA да недарагіх даследаванняў планет, завяршыўшы місію з агульнымі выдаткамі ў 280 мільёнаў долараў, уключаючы кошт ракеты-носьбіта і затраты на падтрымку місіі.
Навуковыя эксперыменты
Марсаход Sojourner на Марсе, 22 сол
Mars Pathfinder праводзіў розныя даследаванні на марсіянскай глебе з дапамогай трох навуковых прыбораў. Пасадачны апарат меў стэрэаскапічную камеру з прасторавымі фільтрамі на рассоўнай мачце, Imager for Mars Pathfinder (IMP)[7][8] і інструмент структуры атмасферы/метэаралагічны набор (ASI/MET)[9], які выконваў ролю марсіянскай метэастанцыі, збіраючы звесткі пра ціск, тэмпературу і вецер. Канструкцыя MET уключала ў сябе тры ветрапаказальніка, усталяваныя на трох вышынях, самы верхні — прыкладна на вышыні 1 метра. За час працы метэастанцыя збольшага рэгістравала заходнія вятры.[10]
Марсаход Sojourner меў альфа-пратонны рэнтгенаўскі спектрометр (APXS)[11] для аналізу кампанентаў камянёў і глебы. Марсаход таксама меў дзве чорна-белыя камеры і адну каляровую. Гэтыя прыборы маглі даследаваць геалогію марсіянскай паверхні на адлегласці ад некалькіх міліметраў да сотняў метраў, геахімію і эвалюцыйную гісторыю горных парод, магнітныя і механічныя уласцівасці зямлі, магнітныя ўласцівасці пылу, атмасферныя, ратацыйныя і арбітальныя працэсы планеты.
На борце марсахода знаходзілася тры навігацыйных камеры: дзве чорна-белыя 0,3- мегапіксельныя камеры былі размешчаны спераду ў спалучэнні з пяццю лазернымі далёкамерамі і дазвалялі як рабіць стэрэаскапічныя выявы, так і выяўляць небяспеку на шляху марсахода. Трэцяя камера мела тую ж раздзяляльнасць, але рабіла каляровыя здымкі, была размешчана ззаду (каля APXS), і была звернута на 90°. Яна рабіла выявы мэтавай вобласці працы APXS і слядоў марсахода на зямлі. Пікселі гэтай каляровай камеры былі размешчаны такім чынам, што з 16 пікселяў блока 4×4 пікселяў 12 пікселяў былі адчувальнымі да зялёнага, 2 пікселя да чырвонага і 2 пікселя да інфрачырвонага і сіняга колераў. Але паколькі ўсе камеры мелі лінзы зробленыя з селеніду цынку, які блакуе святло з даўжынёй хвалі ніжэй за 500 нм, сіняе святло фактычна не дасягала гэтых «сініх/інфрачырвоных» пікселяў, таму яны запісвалі толькі інфрачырвонае.
Усе тры камеры былі выраблены кампаніяй Eastman Kodak Company і кіраваліся працэсарам марсахода. Усе яны мелі аўтаматычную экспазіцыю і магчымасці апрацоўкі дрэнных пікселяў. Марсаход мог сціскаць выявы з пярэдніх камер з дапамогай алгарытму кадавання з усечаным блокам (BTC), але для выяваў з задняй камеры ён мог рабіць тое ж самае толькі са стратай інфармацыі аб колеры. Аптычнай раздзяляльнасці камер было дастаткова для распазнавання 6 мм аб’екта на адлегласці 65 см.[12]
Пасадачны апарат Pathfinder
Imager for Mars Pathfinder (IMP), (уключае магнітометр і анемометр)[13][7]
Камера Mars Pathfinder IMP буйным планам Схема камеры Mars Pathfinder IMP
IMP меў набор фільтраў, прызначаных для запісу з’яў у атмасферны і на паверхні. Інструмент меў дзве камеры, якія дазвалялі атрымліваць стэрэаскапічныя выявы, прычым набор фільтраў у іх трохі адрозніваўся.[14][15][16]
Схема пасадачнага апарата Mars Pathfinder. Бачны слуп ASI/MET, які пашыраецца да верху.
ASI/MET фіксаваў даныя аб тэмпературы, ціску і ветры падчас уваходу ў атмасферу Марса, спуску, а таксама на паверхні.[14] На інструменце знаходзілася ўласная электроніка для працы датчыкаў і запісу даных.[14]
Марсаход Sojourner
Сістэма візуалізацыі (тры камеры: пярэдняя ч/б стэрэапара,[12] задняя каляровая)
Месцам прызямлення была старажытная пойма ў паўночным паўшар’і Марса пад назвай даліна Арэса, адна з самых камяністых частак Марса. Навукоўцы абралі яе, таму што палічылі што гэта адносна бяспечная паверхня для прызямлення, якая тым не менш мусіць мець шырокі спектр розных камянёў, сабраных падчас катастрафічнай паводкі ў далёкім мінулым. Пасля паспяховай пасадкі спускальны апарат атрымаў назву Мемарыяльная станцыя Карла Сагана ў гонар астранома.[18]
Панарама месца пасадкі Mars Pathfinder, знятая IMP
Уваход ва атмасферу, спуск і пасадка
Паслядоўнасць пасадкі
Mars Pathfinder увайшоў у атмасферу Марса і сеў на паверхню з дапамогай інавацыйнай сістэмы, якая ўключае ўваходную капсулу, звышгукавы парашут, цвёрдапаліўныя ракетныя рухавікі і вялікія падушкі бяспекі для амартызацыі ўдару.
Mars Pathfinder наўпрост увайшоў у атмасферу Марса ў рэтраградным кірунку з гіпербалічнай траекторыі на хуткасці 6,1 км/с, для ўваходу ў атмасферу выкарыстоўваючы пасадачную капсулу, якая была зроблена на падставе арыгінальнай канструкцыі пасадачнага апарата Viking. Капсула складалася з задняй абалонкі і спецыяльна распрацаванага абляцыйнага цеплавога экрана для запаволення да 370 м/с, калі ўжо актывуецца звышгукавы парашут, каб запаволіць спуск праз тонкую марсіянскую атмасферу да 68 м/с. Бартавы камп’ютар пасадачнага апарата выкарыстоўваў дадатковыя бартавыя акселерометры для вызначэння часу надзімання парашута. Праз дваццаць секунд пасля гэтага піратэхнічна скідаўся цеплаахоўны экран. Яшчэ праз дваццаць секунд спускальны апарат аддзяляўся і спускаўся з задняй абалонкі на 20-метровай аброці. Калі пасадачны апарат зніжаўся да вышыні ў 1,6 км над паверхняй, бартавым камп’ютарам выкарыстоўваўся радар для вызначэння вышыні і хуткасці зніжэння. Гэтая інфармацыя была патрэбна для вызначэння дакладнага часу наступных пасадачных працэдур.[19]
Выпрабаванні падушак бяспекі Pathfinder у чэрвені 1995 года
Як толькі пасадачны апарат знізіўся да вышыні 355 м над зямлёй, менш чым за секунду надзьмуліся падушкі бяспекі з дапамогай трох газагенератараў.[20] Падушкі бяспекі складаліся з чатырох злучаных паміж сабой шматслаёвых мяшкоў вектрана, якія атачалі пасадачны апарат у форме чатырохгранніка. Яны былі спраектаваны і выпрабаваны з улікам удараў пад вуглом да 28 м/с. Аднак так як падушкі бяспекі былі разлічаны не больш чым на 15 м/с вертыкальны ўдар, тры цвердапаліўныя рэтраракеты былі ўсталяваныя над пасадачным апаратам, у задняй абалонкі капсулы.[21] Яны спрацавалі ў 98 м над зямлёй. Бартавы камп’ютар пасадачнага апарата падлічыў найлепшы час для запуску ракет і пераразання аброці так, каб хуткасць пасадачнага апарата знізілася прыкладна да нуля на вышыні ад 15 да 25 м над зямлёй. Пасля 2,3 секунды працы ракет, спускальны апарат адрэзаў аброць прыкладна на вышыні 21,5 м над зямлёй і ўпаў на паверхню Марса. Ракеты жа адляцелі ўверх і прэч разам з задняй абалонкай капсулы і парашутам (яны пасля былі знойдзены на касмічных здымках мясцовасці). Пасадачны апарат урэзаўся ў паверхню на хуткасці 14 м/с і меў паскарэнне тармажэння толькі 18 G. Першы адскок быў вышынёй 15,7 м, далей апарат працягваў падскокваць яшчэ як мінімум 15 раз (але даныя акселерометра ў гэты час не запісваліся).[22]
Увесь працэс уваходу ва атмасферу, спуску і пасадкі быў завершаны за чатыры хвіліны.
Як толькі пасадачны апарат перастаў каціцца, падушкі бяспекі спусціліся і ўцягнуліся ў бок пасадачнага апарата з дапамогай чатырох лябёдак, усталяваных на «пялёстках» пасадачнага апарата. Прызначаны для выпраўлення з любой першапачатковай арыентацыі, пасадачны апарат адразу апынуўся проста на сваім базавым пялёстку. Праз 87 хвілін пасля прызямлення пялёсткі былі разгорнуты, адкрыўшы марсаход Sojourner і сонечныя панэлі, што былі прымацаванымі знутры.[23]
Пасадачны апарат сеў ноччу ў 2:56:55 па мясцовым сонечным часе Марса (16:56:55 UTC) 4 ліпеня 1997 года. Пасадачны апарат павінен быў дачакацца ўзыходу сонца, каб адправіць свае першыя лічбавыя сігналы і выявы на Зямлю. Месца прызямлення знаходзілася на 19,30° паўночнай шыраты і 33,52° заходняй даўгаты ў даліне Арэс, усяго 19 км на паўднёвы захад ад цэнтра 200-кіламетровага эліпса пасадачнай пляцоўкі. Падчас першага марсіянскага сонечнага дня, які пасадачны апарат правёў на планеце, ён зрабіў здымкі і некаторыя метэаралагічныя вымярэнні. Пасля таго як першыя даныя былі атрыманы, інжынеры зразумелі, што адна з падушак бяспекі не цалкам спусцілася і магла стаць праблемай для маючага адбыцца праезду па пандусе марсахода Sojourner. Каб вырашыць праблему, яны паслалі каманду пасадачнаму апарату падняць адзін з яго пялёсткаў і выканаць дадатковае ўцягванне лябёдцы, каб спусціць падушку бяспекі. Працэдура прайшла паспяхова, і на другі дзень Sojourner быў адчэплены ад пасадачнага модуля і спушчаны па пандусу.[23]
Дзейнасць марсахода
Разгортванне Sojourner
З’езд марсахода Sojourner з пасадачнага апарата адбыўся на 2 сол пасля пасадкі 4 ліпеня 1997 года. Па меры таго, як ішлі наступныя солы, ён набліжаўся да розных камянёў, якія навукоўцы назвалі «Барнакл Біл», «Ёгі» і «Скубі-Ду» у гонар герояў вядомых мультфільмаў. Марсаход рабіў даследванні элементаў, знойдзеных у гэтых камянях і марсіянскай глебе, у той час як пасадачны апарат рабіў здымкі Sojourner і навакольнай мясцовасці, ў дадатак да назіранняў за кліматам.
Sojourner — шасціколавы апарат даўжынёй 65 см, шырынёй 48 см, вышынёй 30 см і вагой 11,5 кг.[24] Яго максімальная хуткасць дасягала 1 см/с. Агулам Sojourner праехаў каля 100 м, ніколі не аддаляючыся больш за 12 м ад пасадачнага модуля Pathfinder. За 83 сол працы ён адправіў на Зямлю 550 фотаздымкаў і прааналізаваў хімічныя ўласцівасці 16 месцаў побач з пасадачным апаратам.
Аналіз камянёў Sojourner
Sojourner каля камня Барнакл Біл
Першы аналіз камня пачаўся на 3 сол з Барнакл Біла. Для вызначэння яго складу быў выкарыстаны рэнтгенаўскі спектрометр альфа-часціц (APXS). Спектрометру спатрэбілася дзесяць гадзін, каб зрабіць поўнае сканаванне ўзору. Ён выявіў усе элементы, акрамя вадароду, які складае ўсяго 0,1 працэнта ад масы пароды.
APXS працаваў шляхам апраменьвання горных парод і ўзораў глебы альфа-часціцамі (ядрамігелія, якія складаюцца з двух пратонаў і двух нейтронаў). Вынікі паказалі, што камень "Барнакл Біл" вельмі падобны на зямныя андэзіты, што пацвярджае мінулую вулканічную актыўнасць. Адкрыццё андэзітаў паказала, што некаторыя марсіянскія пароды ў мінулым былі пераплаўлены і перапрацаваны. На Зямлі андезіт утвараецца, калі магма знаходзіцца ў каменных кішэнях, а частка жалеза і магнію асядае. Такім чынам, канчатковая парода змяшчае менш жалеза і магнію і больш дыяксіду крэмнію. Вулканічныя пароды звычайна класіфікуюць шляхам параўнання адноснай колькасці шчолачаў (Na2O і K2O) з колькасцю дыяксіду крэмнію (SiO2). Андэзіт адрозніваецца ад парод, знойдзеных у метэарытах, якія прыляцелі з Марса.[25][26][27]
Аналіз каменя Ёгі з дапамогай APXS паказаў, што гэта была базальтавая парода, больш прымітыўная чым Баранкл Біл. Форма і фактура Ёгі ўказваюць, што ён верагодна трапіў у тую мясцовасць у выніку паводкі.
Яшчэ адзін камень, "Мо", меў пэўныя сляды ветравой эрозіі на паверхні. Большасць прааналізаваных парод паказалі высокае ўтрыманне крэмнію. У іншым рэгіёне, вядомым як сад камянёў, Sojourner знайшоў дзюны ў форме паўмесяца, падобныя на дзюны на Зямлі.
Калі канчатковыя вынікі місіі былі апісаны ў серыі артыкулаў у часопісе Science(5 снежня 1997 г.), лічылася, што камень Ёгі меў пылавы налёт, але ўнутры быў падобны на камень Барнакл Біл. Разлікі паказваюць, што гэтыя два камяні складаюцца ў асноўным з мінералаў артапіраксена (сілікат магнію і жалеза), палявых шпатаў (алюмініевыя сілікаты калію, натрыю і кальцыя) і кварцу (дыяксід крэмнія), з дадаткам малой колькасці магнетыту, ільменіту, сульфіду жалеза і фасфату кальцыю.[25][26]
Убудаваны камп’ютар марсахода Sojourner змяшчаў 2 МГц[28]працэсар Intel 80C85 з 512 Кбаператыўнай памяці і 176 Кб цвёрдацельнай флэш-памяці, працуючы з цыклічным выканаўчым механізмам.[29]
Камп’ютар пасадачнага апарата Pathfinder уяўляў сабой адначыпавы працэсар IBM Risc 6000 (Rad6000 SC) з абаронай ад выпраменьвання, 128 Мб аператыўнай памяці і 6 Мб EEPROM.[30][31] Яго аперацыйнай сістэмай была VxWorks.[32]
Вынікі працы Pathfinder
Буйны план неба Марса на заходзе, знята Mars Pathfinder (1997)
Пасадачны апарат за час працы адправіў на Зямлю больш за 2,3 мільярда біт (287,5 мегабайт) інфармацыі, уключаючы 16 500 здымкаў, і зрабіў 8,5 мільёна вымярэнняў атмасфернага ціску, тэмпературы і хуткасці ветру.[33]
Зрабіўшы некалькі здымкаў неба на розных адлегласцях ад Сонца, навукоўцы змаглі вызначыць што памер часціц у ружовай дымцы складае каля аднаго мікраметра ў радыусе. Колер некаторых часціц быў падобны да аксігідраксіднай фазы жалеза, што пацвярджае тэорыю больш цёплага і вільготнага клімату ў мінулым.[34]Pathfinder меў некалькі магнітаў для вывучэння магнітнай кампаненты пылу. У рэшце рэшт усе магніты акрамя аднаго пакрыліся пылам. Паколькі самы слабы магніт не прыцягваў часціцы, была зроблена выснова, што паветраны пыл не ўтрымлівае чыстага магнетыту ці толькі аднаго тыпу маггеміту. Верагодна, пыл быў сумессю, магчыма змацаванай аксідам жалеза (Fe2O3).[35] Выкарыстоўваючы значна больш складаныя прыборы, марсаход Spirit выявіў што магнетыт можа растлумачыць магнітную прыроду пылу і глебы на Марсе. Магнетыт быў знойдзены ў глебе і найбольш магнетычная частка глебы была цёмнай. Магнетыт таксама вельмі цёмны.[36]
Выкарыстоўваючы доплераўскі сачэнне і двухбаковыя вымярэнні, навукоўцы пашырылі ранейшыя вымярэнні пасадачных апаратаў Viking і вызначылі, што негідрастатычны кампанент палярнага моманту інэрцыі звязаны з выпукласцю Фарсіды і што планета ўнутры не расплаўлена. Металічнае ядро мае радыус ад 1 300 да 2 000 км.[25]
Хоць планавалася, што місія працягнецца ад тыдня да месяца, марсаход паспяхова працаваў амаль тры месяцы. Сувязь спынілася пасля 7 кастрычніка[37] з апошняй перадачай даных ад Pathfinder 27 верасня 1997 года ў 10:23 UTC. Кіраўнікі місіі спрабавалі аднавіць поўную сувязь на працягу наступных пяці месяцаў, але місія была спынена 10 сакавіка 1998 года. Падчас працягнутай місіі стваралася стэрэапанарама навакольнай мясцовасці з высокай раздзяляльнасцю, і планавалася наведванне марсаходам Sojourner аддаленага хрыбта, але панарама была завершана толькі прыкладна на траціну, і наведванне хрыбта не паспела пачацца, калі сувязь са станцыяй знікла.[37]
Бартавы акумулятар, разлічаны на працу на працягу аднаго месяца, мог выйсці з ладу пасля шматразовай зарадкі і разрадкі. Акумулятар выкарыстоўваўся для нагрэву электронікі зонда да тэмпературы крыху вышэйшай за чаканую начную. Калі акумулятар выйшаў з ладу, больш нізкія чым звычайна тэмпература магла прывесці да паломкі крытычна важных частак, што ў сваю чаргу — да страты сувязі.[37][38] Але ўжо за першы месяц працы місія перавыканала свае мэты.
↑ абSmith, P. H.; Tomasko, M. G.; Britt, D.; Crowe, D. G.; Reid, R.; Keller, H. U.; Thomas, N.; Gliem, F.; Rueffer, P.; Sullivan, R.; Greeley, R.; Knudsen, J. M.; Madsen, M. B.; Gunnlaugsson, H. P.; Hviid, S. F.; Goetz, W.; Soderblom, L. A.; Gaddis, L.; Kirk, R. (1997). "The imager for Mars Pathfinder experiment". Journal of Geophysical Research. 102 (E2): 4003–4026. Bibcode:1997JGR...102.4003S. doi:10.1029/96JE03568.
↑"The Mars Pathfinder atmospheric structure investigation meteorology (ASI/MET) experiment". {{cite journal}}: Шаблон цытавання journal патрабуе |journal= (даведка)
↑Windsocks on Mars(нявызн.). JPL/NASA Mars Pathfinder (2005). Архівавана з першакрыніцы March 5, 2016. Праверана June 10, 2015.
↑R. Rieder; H. Wänke; T. Economou; A. Turkevich (1997). "Determination of the chemical composition of Martian soil and rocks: The alpha proton X ray spectrometer". Journal of Geophysical Research. 102 (E2): 4027–4044. Bibcode:1997JGR...102.4027R. doi:10.1029/96JE03918.
↑Mars – the search for life(нявызн.)(недаступная спасылка). NASA (4 сакавіка 2009). Архівавана з першакрыніцы March 27, 2009. Праверана March 28, 2009.
↑Bruckner, J.; Dreibus, G.; Rieder, R.; Wanke, H. (2001). "Revised Data of the Mars Pathfinder Alpha Proton X-ray spectrometer: Geochemical Behavior of Major and Minor Elements". Lunar and Planetary Science XXXII: 1293. Bibcode:2001LPI....32.1293B.
