Марс Експлорейшън Роувър

Марс Експлорейшън Роувър ( – изследователски марсоход) е мисия, състояща се от два космически апарата на НАСА с имена Спирит ( – дух) и Опъртюнити ( – възможност), изпратени на Марс с цел изследване на неговата повърхност и геология. Мисията е ръководена от Пит Тесингер от JPL и Стивън Скуайърс от Университет Корнел.

Основните цели на мисията се състоят в търсене и характеризиране на скали и почви, издаващи наличието на вода на повърхността на планетата в миналото. Мисията се гради на данни, получени от предишни апарати на повърхността на Марс – Викинг и Патфайндър.

Общата стойност от разработката, конструирането, изстрелването и оперирането на апаратите до изпълнение на основната 90 дневна мисия се изчислява на 820 млн. долара. Очаква се апаратите да продължат да функционират поне до септември 2006 г.

В чест на апаратите са именовани два астероида: 37452 Спирит и 39382 Опъртюнити

Хронология

Марсоходът Спирит е изстрелян на 10 юни 2003 г. в 17:59 ст. време, а Марсоходът Опъртюнити – на 7 юли 2003 г. в 15:18 ст. време Спирит каца в кратера Гусев на 3 януари 2004 г. в 04:35 ст. време, а Опъртюнити – в Меридианската равнина на противоположната страна на Марс спрямо Спирит на 25 януари 2004 г. в 01:05 ст. време.

На 21 януари наземният контрол губи връзка със Спирит. Първоначално се счита че причината е буря над Австралия. Впоследствие обаче е получено съобщение от Спирит без валидни данни и марсоходът пропуска комуникационна сесия с Марс глобал сървейър. JPL получава сигнал от апарата на 22 януари, показващ, че марсоходът е изпаднал в критично състояние поради програмна грешка. На 23 януари екипът успява да получи данни от апарата и 10 дни по-късно наземният контрол изпраща нова версия на неговото програмно управление. За грешката е установено, че се дължи на файловата система на флаш паметта. Подобрената версия на програмното управление е изпратена и на Опъртюнити като предпазна мярка. На 5 февруари Спирит започва нормална работа на повърхността на планетата, като е преодоляна най-голямата към 2006 г. повреда по време на мисията.

На пресконференция състояла се на 23 март 2004 г. са оповестени „важни открития“ в областта на геологията на Марс, сочещи наличието на вода на повърхността на планетата в нейното минало. Показани са снимки, на които са видни напластявания и следи от ерозия на повърхността на скали в кратер в меридианската равнина. Наличните хлор и бром загатват за наличието на солена вода, която впоследствие се е изпарила.

На 8 април 2004 г. НАСА обявява продължение на мисията за нови 5 месеца. За целта са отделени 15 млн. долара до септември 2004 и 2,8 млн. на месец за последващи разходи. На 30 април 2004 г. Опъртюнити достига Кратера на Издръжливостта (англ. – Endurance crater) след като прекосява 200 метра само за 5 дни. На 22 септември 2004 г. НАСА продължава мисията за още 6 месеца, а на 6 април 2005 г., след последвалите успешни изследвания на двата апарата – за още 18 месеца. Опъртюнити междувременно напуска кратера на издръжливостта и изследва топлинния щит на спускаемия модул, а на 21 август 2005 г. Спирит се изкачва до върха на хълмовете на Колумбия.

Спирит чества своята първа марсианска година на повърхността (687 земни дни) на 20 ноември 2005 г., а Опъртюнити – на 12 декември 2005 г.

Конструкция Апаратите са конструирани с цел извеждане в орбита от ракетата Делта II. Основните компоненти на всеки апарат са:

Марсоход – 185 kg Спускаем модул – 348 kg Парашутна система – 209 kg Топлинен щит – 78 kg Междупланетен модул – 193 kg Гориво – 50 kg Обща маса – 1063 kg

Междупланетен модул

Междупланетният модул е активен по време на пътуването между Земята и Марс. Има конструкция, сходна с тази на Патфайндър, и диаметър от 2,65 m и 1,6 m височина. Изграден е основно от алуминий, като слънчевите панели са разположени по повърхността на апарата. Те осигуряват около 600 W мощност по орбитата на Земята и около 300 W по орбитата на Марс.

Налични са нагреватели, хладилна система и термоизолация с цел поддържане на електрониката в работна температура. Конструкцията на модула позволява управлението му посредством бордния компютър на марсохода.

Навигационна система

Звезден скенер и слънчев сензор: Звездният скенер и слънчевият сензор осигуряват поддържането на ориентацията на апарата с цел поддържане на оптимален ъгъл на слънчевите панели спрямо Слънцето, както и правилно насочване на антената към Земята за осъществяване на комуникации. С помощта на тези уреди се установяват и отклонения от курса на апарата по време на неговото пътуване към Марс.

Система за корекция на курса: Отклоненията от правилната траектория на апарата се коригират от двигателите за корекция на курса. Системата се състои от два алуминиеви резервоара с хидразин с капацитет от 31 kg, чието изгаряне в горивната камера на двигателите осигурява тяга, достатъчна за промяна на ориентацията (но не и за значителна промяна на скоростта като тази, необходима за влизане в орбита) на апарата. Маневри могат да бъдат осъществени по следния начин:

Два двигателя се задействат едновременно със сумарна тяга, тангенциална на посоката на движение, внасяйки малка промяна в скоростта на апарата. Няколко двигателя се задействат едновременно за кратко време със сумарна тяга, нормална на посоката на движение, отклониявайки апарата „странично“. Двойки двигатели в противоположни краища на апарата се задействат за кратко време, завъртайки апарата.

Комуникационна система Апаратът използва високочестотният X обхват, позволяващ високоскоростна комуникация с по-малко използвана мощност, за разлика от предишни апарати използващи S обхвата. Използвани са изотропна атена за предаване на данни в близост до Земята и антена с частично насочване на сигнала за предаване на данни при големи разстояния до Земята.

Въздушна черупка За допълнителна информация за въздушната черупка вижте тази илюстрация. Основната цел на въздушната черупка е защита на апарата от прегряване по време на спускането в атмосферата на Марс. Конструкцията и се базира на тези използвани в мисиите Патфайндър и Викинг.

Строеж на въздушната черупка Въздушната черупка се състои от следните две основни части: топлинен щит (на илюстрацията е плоската част с кафеникав оттенък, заден капак (бял, конусовиден).

Топлинният щит защитава спускаемия модул от интензивната топлина по време на спускането през атмосферата на Марс, а също така служи за въздушна спирачка. Под задния капак се намират следните основни компоненти:

парашут, в близост до капака; електроника и батерии, необходими за задействане на различни системи по време на спускането; инерционен датчик, следящ за ориентацията на апарата след отварянето на парашутите; три основни ракетни ускорителя, развиващи обща тяга от 30 kN в продължение на 2 секунди, служещи за забавяне на движението на апарата непосредствено преди кацане; три стаблизиращи ракетни ускорители, спомагащи за поддържане на ориентацията на апарата по време на задействане на основните ускорители.

Състав Въздушната черупка е построена от Локхийд Мартин. Има алуминиево-епоксидна композитна структура. Външната и повърхност е покрита с материал, поглъщащ топлината по време на спускането през атмосферата. Този материал е съставен отчасти от аблатор – корк, свързващ материал и силициеви топчета. Реагира химически и атмосферата и отнася натрупаната топлина. Скоростта на апарата се намалява от 19000 до 1600 km/h само за около минута, водейки до ускорение от 6 g изпитано от апарата. Топлинният щит е изграден от същите материали като външната повърхност, но е с по-дебел аблаторен слой – 12,7 mm. Външната повърхност също така е покрита с тънък слой алумниний с цел предпазване от охлаждане по време на пътуването до Марс. Този слой се изпарява по време на спускането през атмосферата.

Парашут

Парашутът е предназначен за забавяне на скоростта на апарата по време на спускане през атмосферата. Намира се под задния капак на въздушната черупка.

Устройство Парашутът е сходен с предишните парашути, използвани по време на мисиите Викинг и Патфайндър. Има размери с около 40% по-големи по площ от този на Патфайндър поради по-голямото тегло на апарата и по-високото му максимално натоварване – 80 – 85 kN спрямо 35 kN за Патфайндър. Парашутът е изработен от Пионер Аероспейс, компанията която изработва парашута и за мисията Стардърст.

Строеж Парашутът е изграден от полиестер и найлон, а тройният бридел е от кевлар. Поради ограничения в наличното пространство на борда на апарата се налага парашутът след внимателно сгъване да бъде пресован. Непосредствено преди поставяне на апарата той бива и стерилизиран.

Други части от апарата Бридели от материала Зилон: Зилонът представлява материал изграден от въглеродни влакна, навити подобно на нишките във връзките за обувки, което му придава значителна якост. След разтваряне на парашутите на височина от около 10 km, топлинният щит се отделя от апарата с помощта на пружини. Спускаемият модул след това се отделя от задния капак. Задния капак поради по-голямото си триене с атмосферата от спускаемия модул издърпва метална лента от модула, която от своя страна е свързана с центрофугова спирачна система, поместена в една от стойките за кацане. Отдалечаването бива ограничено от 20 метров зилонов бридел, който свързва двете части при максимално издърпване на лентата.

Необходмо е раздалечаване на задния капак и самият спускаем модул, понеже ракетните двигатели за забавяне на движението са монтирани в задния капак и е необходимо да се осигури достатъчно място за разпръскване на техните горещи газове, както и за раздуване на въздушните възглавници на спускаемия модул. В противен случай газовете биха могли да повредят въздушните възглавници и модула. В допълнение, двигателите са монтирани над центъра на тежестта на системата, което я прави устойчива по време на спускането. Във вътрешността на бридела са монтирани кабели. Задействането на двигателите се контролира от бордния компютър в спускаемия модул, а данни от инерционните ускоромери поместени в задния капак биват предавани обратно.

Двигатели за спускане и радарен висотомер: Понеже атмосферното налягане на повърхността на Марс по-малко от 1% от земното, атмосферата на планетата не е достатъчно плътна за осигуряване на безопасно спускане на апарата на повърхността само с парашут. За допълнително намаляване на скоростта в самия край на спускането се задействат ракетните двигатели за спускане при преминаване на определена височина. Височината над повърхността бива постоянно следена от радарен висотомер. След задействане на двигателите и намаляване на скоростта, апаратът зависва за момент над повърхността на височина от 10 – 15 m. В този момент бридела на който спускаемият модул с надути въздушни възглавници виси бива прерязан и той пада на повърхността. Задният капак, освободен от товара си, се отдалечава и пада на безопасно разстояние.

Въздушни възглавници

Въздушните възглавници използвани в апарата са подобни на тези използвани по време на мисията Патфайндър. Основната задача на въздушната възглавница е омекотяване на удара на апарата с повърхността и постепенно намаляване на скоростта му на търкаляне по повърхността. Възглавницата бива надута непосредствено преди кацане, а газът бива изпуснат след спиране на търкалянето.

За направата им е използван синтетичен материал наречен вектран, имащ почти двойно по-голяма якост от кевлара и други синтетични материали, както и по-добри характеристики при ниски температури. Налични са шест пласта със специфично тегло от 10 mg/m вектран покриващ две вътрешни обвивки със специфично тегло то 20 mg/m.

Въздушните възглавници на всеки апарат са четири – по една на всяка страна на подобния на пирамида спускаем модул, като всяка въздушна възглавница е разделена на шест секции. Допълнителна якост се придава от въжета които опасват външността на възглавниците. За надуване се използват три газови генератора.

Спускаем модул