Марс Патфайндър () е американска сонда, която е подготвена през 1996 г. от НАСА за изпращане до повърхността на Марс, на спускаем модул и колесен марсоход с обозначението „Соуджърнър“.
Марс Патфайндър е изстрелян на 4 декември 1996 г. на борда на ракета Делта II от военновъздушната база Кейп Канаверал във Флорида. Той достига повърхността на Марс на 4 юли 1997 г.
„Патфайндър“ има три научни инструмента, които позволяват изследването на геологията и повърхностната морфология на малките и огромни скални късове, геохимията на земята и скалите, магнитните и механическите свойства на почвата, различни изследвания на атмосферата и ротационната и орбитална динамика на Марс.
Това е вторият проект от програмата на НАСА „Дискавъри“, която има за цел изпращането на по-евтини космически апарати да изследват Слънчевата система. Мотото на програмата е „по-евтино, по-бързо и по-добро“, а програмата е силно поощрявана от тогавашния Аминистратор на НАСА Даниел Голдин. Мисията е ръководена от JPL, поделение на Калифорнийския технологичен институт отговорен за изследването на Марс от НАСА.
Тази мисия до Марс, освен че е първа от поредица мисии до планетата включващи марсоходи, е и най-важната от 1976 г. насам, когато Викинг се приземява на Червената планета. Това е и първата мисия, която изпраща марсоход до друга планета (СССР успешно изпраща луноходи на Луната през 70-те години, но мисията да изпрати марсоход до планетата от програма Марс се проваля).
Цели на мисията да докаже, че разработването на космически апарати от типа „по-евтино, по-бързо и по-добро“ е възможно (три години разработка на цената от 150 млн. щ.д.) да докаже, че е възможно изпращането на научно оборудване до друга планета с проста система на цена 1/15 от цената на програма Викинг (за сравнение цялата програма Викинг е струвала 935 млн. щ.д. през 1976 г., което се равнява на 3,5 млрд. щ.д. през 1997 г.) да покаже задължението на НАСА към ниско-бюджетното планетарно излседване като завърши мисията за по-малко от 280 млн. щ.д., включително цената на ракетата-носител и операциите по време на самата мисия
Научни експерименти
Марс Патфайндър извършва разнообразни изследвания на марсианската почва с помощта на три научни прибора. Спускаемият модул носи стереофотоапарат с пространствени филтри монтиран към телескопичен стълб (IMP), метеорологичен пакет (ASI/MET), който работи като марсианска метеорологична станция събираща информация за налягане, температура и сила на вятъра. Този прибор разполага също с три ветропоказателя монтирани на стълба на три различни височини, най-високият на около 1 m.Windsocks on Mars, NASA
Марсоходът Соуджърнър носи рентгеноволъчев спектрометър за алфа частици (APXS), използван за анализ на компонентите на скалите и почвата. Оборудването му включва също два чернобели и един цветен фотоапарат. С тези научни прибори може да се изучава геологията на марсианската повърхност от само няколко милиметра до стотици метри, геохимията и еволюционната история на скалите, магнетичните и механичните свойства на почвата, както и магнетичните свойства на праховите частици, атмосферата и ротационната и орбитална динамика на планетата.
Трите навигационни фотоапарата на борда на марсохода са разположени по следния начин: двата чернобели 0,3 мегапикселови фотоапарата са разположени отпред заедно с пет лазерни проектора, които следят за опасности по пътя на марсохода докато той прави снимките. Третият цветен фотоапарат е разположен в задната част на Соуджърнър в близост до научния инструмент APXS като има възможността да се завърта на 90°. Този фотоапарат прави снимки в територията изследвана от APXS и заснема отпечатъците от марсохода по повърхността на планетата. Обективите на фотоапаратите са изградени от цинков селенид.
И трите фотоапарата са зарядно-свързани прибори произведени от Кодак и контролирани от бордовия процесор на марсохода.
Научно оборудване на спускаемия модул Патфайндър стереофотоапарат на Патфайндър (IMP) (включва магнитометър и анемометър) атмосферни и метеорологични сензори (ASI/MET)
Научно оборудване на марсохода Соуджърнър
три фотоапарата (два чернобели отпред и един цветен отзад) лазерна система за засичане на опасности рентгеноволъчев спектрометър за алфа частици (APXS) колесно-абразивен експеримент Materials Adherence Experiment (MAE) акселерометъри
Място на кацане Мястото на кацане е долината Арес (по името на древногръцкия бог Арес, еквивалент на древноримския бог Марс) в северното полукълбо на Марс, едно от най-скалистите места на планетата. Учените избират това място, защото е относително безопасно за кацане, и защото съдържа разнообразни скални отлагания вследствие на катастрофално наводнение. След кацането на Марс Патфайндър, участъкът с координати Mars Pathfinder Science Results , NASA получава името „Паметник Карл Сейгън“ в чест на астронома с това име.
Навлизане, спускане и кацане
Марс Патфайндър навлиза в марсианската атмосфера и каца на повърхността с помощта на иновативан система включваща въздушна обвивка, парашут, твърдогоривни ракети и въздушни възглавници за омекотяване на удара.
Спускаемият модул навлиза директно в атмосферата в ретроградна посока с хиперболична траектория със скорост 6,1 km/s като използва въздушна обвивка разработена при програма Викинг. Въздушната обвивка е съставена от заден капак и специален топлинен щит, който да забави скоростта на спускане до 370 m/s, след което се издува парашута, който допълнително забавя спускането до скорост 68 m/s. Бордовият компютър на спускаемия модул използва акселерометри за да определи времето на издуване на парашута. Двадесет секунди по-късно топлинният щит е освободен. След още двадесет секунди спускаемият модул се отделя и снижава от задния капак, като се държи за него на връзка с дължина 20 m. При височина 1,6 km над повърхността, с помощта на радар бордовият компютър определя височината и скоростта на спускане. Информацията се използва от компютъра за да изпълни прецизно следните събития при кацане.
Когато спускаемият модул е на височина 355 m от пъвърхността, въздушните възглавници се надуват за по-малко от секунда използвайки три студени твърдогоривни двигателя като газгенератори. Въздушните възглавници са изработени от 4 взаимносвързани многопластови торби от материала вектран, които обграждат спускаемия модул. Тъй като въздушните възглавници са проектирани за вертикални удари със скорост не по-голяма от 15 m/s, 3 твърдогоривни ретроракети са монтирани на задния капак намиращ се над спускаемия модул. Ракетите се възпламеняват на височина 98 m от повърхността. Бордовият компютър изчислява най-доброто време, в което да възпламени ракетите и да скъса връзката между задния капак и спускаемия модул и така скоростта на пускане да се намали до 0 m/s на разстояние 15 до 25 m от повърхността. На 2,3 секунди от възпламеняването на ретроракетите, на височина 21,5 m от марсианската повърхност връзката между задния капак и спускаемия модул е прекъсната и втория пада на повърхността. Ретроракетите отнасят задния капак и парашута на далеч от спускаемия модул. Спускаемия модул удря повърхността със скорост 14 m/s и прави няколко отскока след сблъсъка. Първият отскок е с височина 15,7 m, след което следват още поне 15 с по-ниска височина (записването на информацията от акселерометъра не е продължила до края на всички отскоци).
Целият процес на навлизане, спускане и кацане е завършен за 4 минути.
След като спускаемият модул спира да се търкаля, въздушните възглавници спадат и се прибират към модула с помощта на 4 лебедки прикачени към „венчелистчетата“ на модула. Марс Патфайндър е проектиран да се изправи от всяко разположение при кацането с помощта на „венчелистчетата“. 74 минути след кацане венчелистчеата са разгънати и с марсохода и слънчевите панели. Спускаемият модул каца в 2:56:55 местно марсианско време (16:56:55 UTC) на 4 юли 1997 г. Апаратът трябва да изчака до изгрев за да изпрати първите си снимки до Земята. Мястото на кацане има координати 19.13° с. ш. 33.22° з. д. в долината Арес, само на 19 km северозападно от центъра на елипсовидна площадка за кацане с площ 200 km. По време на Сол 1, първият марсиански слънчев ден изкаран от спускаемия модул на планетата, той прави снимки и метеорологични изследвания. При получване на снимките наземният екип от инженери вижда, че една от въздушните възглавници не е напълно спаднала, което може да се окаже препятствие при излизането на марсохода Соуджърнър от спускаемия модул. За да бъде разрешен проблемът, екипът праща команда към спускаемия модул да повдигне едно от венчелистчетата и да изпълни ново прибиране на въздушната възглавница. Процедурата е успешна изпълнена през Сол 2 и Соуджърнър е освободен от спускаемия модул.
Системата за навлизане, спускане и кацане на Марс Патфайндър е използвана (с малки подобрения) и при мисията Марс Експлорейшън Роувър. Също така и много от конструкцията на Соуджърнър (окачване, архитектура, навигационни алгоритми) е използвана при марсоходите на мисия Марс Експлорейшън Роувър.
Дейност на марсохода Активиране на Соуджърнър Марсохода Соуджърнър излиза от спускаемия модул на втория марсиански слънчев ден (Сол 2) от кацането на 4 юли 1997 г. През следващите дни марсоходът достига до близкоразположени скали, които учените наричат с имената на известни анимационни герой – Барнакъл Бил, Йоги и Скуби Ду. Марсоходът извършва измервания на химичните елементи открити в тези скали и в почвата докато спускаемият модул прави снимки на марсохода и заобикалящия го терен и в допълнение прави наблюдения на климата.
Соуджърнър е шест колесен марсоход с дължина 65 cm, ширина 30 cm и тегло 10,5 kg. Максималната му скорост е 1 сантиметър в секунда. Общото изминато разстояние през целия операционен живот на марсохода е не повече от 100 m, на максимално разстояние 12 m от спускаемия модул. По време на операционния си живот продължил 83 марсиански слънчеви дни Соуджърнър изпраща 550 фотографии до Земята и анализира химичните свойства на 16 местоположения в близост до спускаемия модул.
Анализ на скални проби от Соуджърнър
Първият анализ на скали е направен на третия марсиански слънчев ден (Сол 3) върху марсианската скала „Барнакъл Бил“. Научният прибор рентгеноволъчев спектрометър за алфа частици (APXS) е използван за да се направи анализ на състава, като тази дейност е отнела на спектрометъра около 10 часа. Открити са всички главни химични елементи с изключение на водород, който съставлявал само 0,1% от теглото на скалата.
APXS облъчва скалите и почвата с алфа частици (хелийни ядра, които се състоят от 2 протона и 2 неутрона). Резултати показват, че марсианската скала Барнакъл Бил много наподобява земните андезити, което потвърждава вулканична дейност в миналото. Откриването на андезит, сочи че някои скали на Марс са претопени и преработени. На Земята андезитни скали се формират, когато магмата заседне в скални джобове докато част от магнезия и желязото се утаят. Следователно получената скала съдържа по-малко магнезий и желязо и повече силициев диоксид. Вулканичните скали обикновено се категоризират като се сравнява количеството основи (Na2O и K2O) с количеството силициев диоксид (SiO2). Андезитът е различен от скалите открити при метеоритите дошли от Марс.Golombek, M. et al. 1997. Overview of the Mars Pathfinder Mission and Assessment of Landing Site Predictions. Science. Science: 278. pp. 1743 – 1748nssdc.gsfc.nasa.govBruckner, J., G. Dreibus, R. Rieder, and H. Wanke. 2001. Revised Data of the Mars Pathfinder Alpha Proton X-ray spectrometer: Geochemical Behavior of Major and Minor Elements. Lunar and Planetary Science XXXII
Анализът направен на скалата „Йоги“ показва, че е базалтова скала, по-ранно формирана от Барнакъл Бил. Формата и структурата ѝ сочат, че най-вероятно произлиза от утайки след наводнение.