Миссия Opportunity: скачок в исследовании Марса
В прошлом материале мы рассказывали про миссию Mars Pathfinder, состоявшуюся в 1997 году: что ей предшествовало, как проходила и какие дала результаты.
Сегодня расскажем про миссию 2004 года, уже в рамках нового проекта Mars Exploration Rover со звучным названием Opportunity. Она стала самой продолжительной в истории путешествия на красную планету.
Подготовка к миссии
После суперудачной миссии Mars Pathfinder, в ходе которой крошечный ровер весом 11 кг сумел проработать 2,5 месяца вместо одной недели, НАСА решило продолжать освоение Красной планеты по той же схеме. Дополнительным важным фактором было то, что провозглашенная в 1992 году концепция FCB («быстрее, дешевле, лучше») полностью оправдалась. Mars Pathfinder обошелся дешевле предыдущей миссии Викинг более чем в 10 раз, а разработка заняла всего 3 года.
Разработчики Лаборатории реактивного движения (JPL) решили придерживаться той же концепции: запустить посадочный модуль с ровером на борту, только побольше и с лучшим оснащением. Главная цель — проверить устойчивость работы оборудования в течение более продолжительного времени (по первоначальной задумке — 90 солов, или 92,5 земных суток), а также собрать дополнительные научные сведения:
Данные Pathfinder указывали, что некоторые породы могли долгое время контактировать с водой. Нужно было исследовать больше образцов и найти другие свидетельства того, что на Максе была вода: отложение минералов и прочее.
Пыль в зоне посадки прошлого модуля обладала магнитными свойствами. Нужно было постараться выяснить природу этого явления: например, исследовать больше грунта, взятого из как можно большего количества точек на поверхности Марса.
Помочь работе орбитального модуля, который только планировался к запуску — Mars Reconnaissance Orbiter. Основная его задача заключалась в обнаружении воды (или в крайнем случае ее следов) — это позволило бы ученым лучше понять механизм ее образования на Красной планете. Прошлые модули Mars Climate Orbiter и Mars Polar Lander в 1999 году потерпели неудачу, и поэтому НАСА в любом случае требовался орбитальный аппарат на долгие годы.
Нужно было провести общее исследование геологических процессов, которые сформировали поверхность Марса. Например, в ходе миссии Pathfinder обнаружили, что некоторые породы имели схожий состав с земными породами и могли иметь вулканическое происхождение. Все это позволило бы оценить потенциал возможной колонизации Марса в будущем.
Для реализации этих задач НАСА решило запустить на Марс не один, а сразу два модуля-близнеца, которые проводили бы исследования параллельно, на противоположных сторонах планеты — это дало бы значительно большую выборку данных. Проект получил названием Mars Exploration Rover, и главной его частью должны были стать именно марсоходы с названиями Spirit и Opportunity.
Руководителями проекта стали Питер Тайзингер из JPL и Стивен Сквайрс из Корнелльского университета.
Кроме традиционных требований к низкой стоимости (в этот раз планировалось уложиться в 800 млн долларов за оба аппарата), важно было не затягивать запуск (научные результаты нужно было закрепить) и поймать момент, когда расстояние между Землей и Марсом будет минимальным, порядка 55 млн км. Это происходит каждые два года, когда Марс находится ближе всего к Земле. В такие периоды аппарату требуется меньше топлива, он будет легче, дешевле в запуске и достигнет Марса быстрее.
График показывающий, когда Марс ближе всего к Земле
Марсоходы получили свои имена благодаря проведенному НАСА конкурсу среди детей, в котором победила 9-летняя София Коллис: русская девочка из детдома, которую усыновили американские родители в возрасте двух лет.
Разработка двух роверов шла параллельно с 1999 по 2003 год. И за четыре года у инженеров JPL получилось создать самые совершенные на тот момент марсоходы. Давайте посмотрим, что они представляли собой на примере Opportunity.
Сам марсоход был существенно больше, чем прошлая модель Sourjoner. Высота составляла порядка 1,5 метров, ширина — 2,3 метра, длина — 1,6 метра, а вес достигал аж 180 килограммов.
Сравнение размеров двух роверов в лаборатории JPL
Электроэнергия вырабатывается раскрывающимися солнечными панелями площадью 1,2 квадратных метра с ячейками из GaAs/Ge. В пиковый момент они могли выдавать до 140 Вт (все электрические компоненты потребляли порядка 100 Вт) и обеспечивать зарядку двух литий-ионных аккумуляторов весом 7 кг.
Движение обеспечивалось, как и в случае с Sourjoner, шестью алюминиевыми колесами, но значительно большего диаметра (250 мм против 120 мм) с оригинальной системой подвески Rocker-Bogie. Она позволяла двигаться по пересеченной местности и не терять контакт с поверхностью. Также у колес имелись шипы для лучшего сцепления с грунтом — проведенные испытания гарантировали, что ровер может подниматься по склону с уклоном до 32 градусов, с учетом работы системы стабилизации положения.
Вид на подвеску Rocker-Bogie сбоку
Электродвигатели швейцарской фирмы Maxon Motor располагались на каждом колесе, а два передних и задних имели дополнительные рулевые двигатели. В результате марсоход мог разворачиваться с минимальным радиусом. Максимальная скорость могла достигать 180 метров в час, но рабочая не превышала 72 метра в час.
Устройство марсохода Opportunity
В плане системы управления мало что поменялось по сравнению с прошлой миссией. В основе лежал радиационно-устойчивый процессор RAD6000 со 128 Мб оперативной памяти и 6 Мб EEPROM, с операционной системой VxWorks. Дополнительно роверы имеют 256 Мб флэш-памяти. Все компоненты должны работать при температуре не ниже -40 градусов Цельсия, поэтому располагались в теплоизолированном боксе с наполнением из аэрогеля. Ночью обогрев обеспечивался восемью радиоизотопными обогревателями (RHU).
Схематичное изображение расположения устройств в обогреваемом модуле
Для связи использовались две антенны с низким и высоким коэффициентом усиления, работающие на 8,43 ГГц Х-диапазона — здесь все так же, как было на миссии Pathfinder. НАСА логично решило не изобретать велосипед, а использовать отлично себя показавшие наработки. Одна из антенн (HGA) диаметром 280 мм управлялась двумя серводвигателями для точной ориентации на Землю. Поначалу связь устанавливалась с антеннами системы Deep Space Network на Земле, а также через орбитальные Mars Global Surveyor и Mars Odyssey.
Съемка обеспечивалась сразу несколькими типами камер, установленными на мачте высотой 1,5 метра с возможностью вращения на 360 градусов:
1. Pancam— две электронные стереокамеры c ПЗС-матрицами, которые в паре обеспечивают разрешение 1024×2048 пикселей. Для сжатия изображений используется специальный алгоритм ICER на основе вейвлет-преобразований — подробнее про алгоритм сжатия можно прочитать в этой статье. Фокусное расстояние составляет 43 мм с FOV 16 градусов, расстояние между объективами — 30 см. Каждая камера имеет набор из восьми фильтров для длин волн от 400 до 1100 нм.
2. Navcam — две монохромных камеры с углом обзора 45 градусов, которые предназначены исключительно для навигации: передачи информативных и в то же время «легких» файлов на Землю.
3. Hazcam — четыре монохромные камеры, установленные спереди и сзади марсохода с углом обзора до 120 градусов и направленные немного вниз, с захватом примерно трех метров поверхности. Они используются для определения наличия препятствий и лучшего построения маршрута движения.
Выдвижная мачта ровера имеет две Navcam и две Pancam камеры, которые обеспечивают снимки высокого качества, справа как раз фото с Navcam
Изображение с Hazcam. Забегая вперед, именно благодаря им удалось ликвидировать нештатную ситуацию, в которой оказался Opportunity
Научных инструментов, по сравнению с Mars Pathfinder, также значительно прибавилось:
Мессбауэровский спектрометр MIMOS II, разработанный Гёстаром Клингельхёфером в Университете Майнца. Позволял исследовать содержания железа в камнях и почве благодаря гамма-излучению элемента кобальт-57.
Рентгеновский спектрометр альфа-частиц (APXS), который до этого отлично справился со своей задачей во время миссии Mars Pathfinder.
Магнитная матрица из семи магнитов, которые использовались для сбора частиц магнитной пыли.
Миниатюрный термоэмиссионный спектрометр (mini TES), работающий в инфракрасном диапазоне и использующийся для определения примерного состава горных пород. Он помогает определять перспективные места для более тщательного и долгого исследования другими инструментами.
Система микроскопической визуализации (MI) — по сути, комбинация микроскопа и ПЗС-камеры с высоким разрешением, чтобы получать более детальные изображения горных пород и почв.
Инструмент Rock Abrasion Tool (RAT), которые предназначался для очистки камней и создания отверстий в твердых породах диаметром до 45 мм и глубиной 5 мм при помощи алмазного бура, вращающегося с частотой 3000 об/мин. Уникальная разработка Honeybee Robotics.
Так выглядела Rock Abrasion Tool — по размеру была чуть больше банки газировки. Все основные инструменты располагались на той же приводящей руке IDD
Отдельно про посадочный модуль. В прошлой миссии Mars Pathfinder посадочный модуль также был использован для доставки ровера Sojourner на Марс. Модуль включал тепловой экран, парашют и надувные подушки для смягчения удара при посадке. Однако в отличие от нынешней миссии, он не был рассчитан только на доставку ровера и имел более простую систему крепления. Текущий модуль, при массе 538 кг вместе с ровером, был полностью сосредоточен на безопасной доставке, включая усовершенствованную систему из титановых болтов, которые автоматически отсоединялись после посадки.
Проведение испытаний посадочного модуля: лепестки должны были раскрыться и создать мостики для схода ровера на поверхность
Сами подушки (слева) после посадки сдувались и втягивались под посадочный модуль при помощи трех лебедок. Лепестки раскрывались уже сверху. Справа — испытание парашюта, изготовленного из полиэстера и нейлона, с 48 стропами
Масса Opportunity была в 18 раз больше, чем масса Sourjoner, поэтому его проходимость тщательно исследовали в течение пяти месяцев.
Инженеры JPL проверяли, что произойдет, когда такая махина увязнет в песке
Однако в итоге все получилось, и оба ровера вместе с посадочными модулями были готовы к запуску в начале июня.
Заключительная проверка всех систем за несколько дней до запуска аппарата
Как проходила миссия
Первым запущенным аппаратом 10 июня 2003 года стал Spirit, который также назывался MER-A (по названию миссии Mars Exploration Rover, модель А). А запуск второго аппарата Opportunity (MER-B) состоялся спустя почти месяц, 7 июля 2003 года. Оба зонда были запущены на ракетах Delta II с космодрома 17 на мысе Канаверал.
Запуск Opportunity
Зоны посадки для аппаратов располагались с разных сторон планеты. Spirit сел 4 января 2004 года в ударном кратере Гусева диаметром 166 км — по предположению ученых, когда-то он являлся озером. Однако, забегая вперед, исследования не подтвердили этой теории. Аппарат Spirit успешно проработал почти 7 лет вместо запланированных 90 солов (около 92 земных дней), проехав 7,8 км и передав множество полезных данных. Связь с ним прекратилась 22 марта 2010 года.
Вернемся к герою нашей истории — аппарату Opportunity. Он совершил посадку 25 января 2004 года без происшествий и по алгоритму, отработанному во время приземления Pathfinder. Если кратко: замедление при помощи теплового экрана, его отстрел пиропатронами, раскрытие парашюта, торможение и выпуск воздушных подушек.
После посадки на Марс марсоход Opportunity пропрыгал по поверхности 26 раз и приземлился в небольшом кратере диаметром 22 метра, который находится примерно в 15 км восточнее предполагаемого места высадки на Плато Меридиана. Этот кратер получил название Игл. Посадочная зона была названа мемориальной станцией Челленджер в честь экипажа космического шаттла «Челленджер», погибшего в 1986 году.
Его исследования продолжались вплоть до 22 марта 2004 года, в ходе которых ровер взял несколько образцов реголита и горных пород, а также сделал десятки панорамных фотографий места приземления.
Фотография кратера Игл, сделанная ровером — виден теплозащитный экран
Но главным достижением стало исследование так называемого гематита. Дно кратера было обильно усеяно мелкими камнями размерами от сотен микрон до нескольких сантиметров, удивительно круглой формы. Внешне они очень напоминали «чернику в кексе»: обладали магнитными свойствами и были совершенно гладкими. Ученые назвали их «сферулами» и активно спорили о природе их происхождения: была ли она вызвана долговременным контактом с водой или образовалась за счет естественных геологических процессов.
Примечательно, что место посадки ровера было выбрано неслучайно: орбитальный аппарат Mars Global Surveyor зафиксировал при помощи TES именно в районе Плато Меридиана большую концентрацию гематита. И тем удивительнее, что носителями этой массы являлись такие необычные камни
В пользу возможного нахождения воды миллиарды лет назад на Плато Меридиана также говорили анализы грунта: в них были обнаружено незначительное количество сульфатных солей, которые могли быть вызваны выходом жидкости на поверхность. НАСА поспешила заявить, что нашла доказательства наличия воды на Марсе в прошлом, однако однозначного мнения об этом нет до сих пор.
На 30 сол (примерно 31 день) впервые был задействован инструмент RAT, для вскрытия небольшого камня в кратере Игл. Наличие каверн (полостей) внутри могло быть вызвано в том числе воздействием жидкости, но это не точно
Дальше аппарат продолжил путешествие и отправился в кратер Эндьюранс, где пробыл с мая по декабрь 2004 года. После нескольких важных исследований грунта и десятка срезов, было найдено еще несколько образцов гематита, а также обнаружены слои осадочных пород, которые указывали на древние водные процессы. Эти находки усилили предположение о том, что когда-то в этом районе Марса существовали условия, пригодные для жизни, возможно, присутствовали стоячие или медленно текущие воды.
Панорамное изображение края кратера Эндьюранс
На снятой скалистой поверхности наблюдаются темные вытянутые пятна. Исследователи НАСА предположили, что это — места выхода воды на поверхность, которые текли здесь, а потом высыхали, оставляя подобные отложения сульфатов
К тому моменту Opportunity уже успешно проработал более 90 запланированных солов, и никаких признаков износа батарей или слишком высокой запыленности солнечных панелей не наблюдалось — все было отлично. Поэтому миссию решили продолжить. И забегая вперед, делали это еще пять раз.
В декабре 2004 — январе 2005 года аппарат покинул кратер Эндьюранс и вернулся к месту своей посадки, по дороге наткнувшись на настоящий метеорит. Анализ APXS показал, что космический гость состоит на 93% из железа и на 6% из никеля, не считая незначительного количества других соединений. По своему составу он практически ничем не отличался от метеоритов, найденных на Земле. Бурить его при помощи RAT не рискнули из-за высокой прочности поверхности.
Метеорит получил название Heat Shield Rock, поскольку был найден возле теплового щита
После этого ровер продолжил свое путешествие к кратеру Эребус. Но на этом пути 26 апреля 2005 года произошла нештатная ситуация, которая поставила всю миссию под угрозу.
Во время подъема по небольшому склону колеса ровера слишком сильно зарылись в грунт, а при вращении задних и передних колес ситуация только ухудшилась. Казалось, что Opportunity капитально сел на мель.
Инженеры JPL изучили записи с четырех камер Hazcam: составили 3D-модель поверхности и продумали, как именно должны двигаться колеса, чтобы постараться выбраться из ямы. Суммарно маневрирование заняло шесть (!!!) недель, приходилось двигаться буквально по несколько сантиметров в день. В итоге только 4 июня все шесть колес оказались на более твердой поверхности и ровер продолжил путь.
Так выглядели попытки выбраться из затруднительного положения
Всего с 2004 года по 2011 год Opportunity исследовал кратеры Эребус, Виктория, а также несколько пиков. Главной целью миссии стал край огромного кратера Индевор, а конкретно долина Марафона. Именно в этой области орбитальные станции показали возможные залежи слоистых силикатов. Их исследование могло пролить свет на механизм образования планеты. Аппарат уже прошел свыше 20 км при том, что изначально ожидался пробег не более 600 метров.
К тому моменту, когда Spirit уже вышел из строя, Opportunity продолжал свою миссию в одиночку. В 2012 году на Марсе начал работать аппарат Curiosity, но Opportunity оставался активным до 2018 года. Однако с 2013 года слой пыли на солнечных панелях Opportunity постепенно накапливался, несмотря на периодическую самоочистку марсианским ветром. Это привело к снижению выработки электроэнергии и износу аккумуляторов, что в свою очередь вызвало сбои в работе электроники: отказала одна из ячеек энергонезависимой памяти, и аппарат начал периодически самопроизвольно перезагружаться.
Инженеры JPL постепенно снижали нагрузку: аппарат проходил меньшее расстояние в день, а также уменьшал количество передаваемых данных. Однако выработка энергии батарей продолжала снижаться и составляла менее 20% от первоначальной.
К тому моменту Opportunity успел сделать еще ряд важных открытий на краю кратера Индевор: сначала нашел камень Tisdale-2 с аномально высоким содержанием цинка, а затем обнаружил гидратированный сульфат кальция на одной из соседних скальных пород. Это, проще говоря, гипсовый камень, который образуется только при длительном контакте с водой. Эти находки были крайне важны, так как они предоставили дополнительные доказательства того, что в прошлом на Марсе существовали условия, благоприятные для наличия жидкой воды, что могло создать среду, потенциально пригодную для жизни.
Исследование камня Tisdale-2 вызвали бурные споры среди ученых
В начале июня 2018 года разразилась крупная пылевая буря, продлившаяся до октября. До этого в 2007 году аппарат уже переживал что-то подобное, но в этот раз масштаб бедствия был несоизмерим. Выработка энергии солнечными панелями прекратилась практически сразу, а связь пропала 10 июня 2018 года.
Селфи, сделанное аппаратом в 2012 году: можно оценить степень запыленности солнечных панелей уже тогда
Даже после окончания пылевой бури сохранялась надежда на восстановление связи с Opportunity: на Марсе часто случаются порывы ветра, которые способны очищать солнечные панели от пыли. Однако на этот раз этого не произошло. В течение нескольких месяцев, вплоть до января 2019 года, NASA отправила более 1000 команд, пытаясь активировать системы марсохода и восстановить контакт, но Opportunity так и не откликнулся. 13 февраля 2019 года NASA официально объявила о завершении миссии.
Прочитать подробнее про 14-летний путь аппарата можно в этой статье НАСА.
Результаты миссии Opportunity
Всего аппарат проработал 14 лет, значительно превысив запланированные 90 солов (около 92 земных дней), и прошел 45 км вместо расчетных 600 метров. Миссия была признана однозначным успехом, поскольку за 820 миллионов долларов удалось собрать огромный объем научных и технических данных, а также получить 217 тысяч высококачественных изображений, что значительно превзошло ожидания.
Весь путь, пройденный ровером за 14 лет отмечен желтым. Он закончил свой путь недалеко от Марафонской долины, преодолев мыс Tribulation
Нет, это не кадры из игры на движке UE5 — это фотография, сделанная Opportunity
Одна из последних фотографий мыса Tribulation. В ходе подъема ровер смог преодолеть уклон с углом больше 40 градусов, что приятно удивило разработчиков
За время исследований все научные инструменты Opportunity были использованы с максимальной эффективностью: RAT 72 раза бурил и очищал породы, а APXS, MIMOS 2, mini-TES и MI собрали гигабайты ценнейших данных. Большая часть выводов указывала на то, что климат на Марсе когда-то был значительно теплее и влажнее, с присутствием воды на поверхности. Хотя некоторые ученые продолжают оспаривать эти выводы, такие дискуссии стимулируют дальнейшие исследования.
Кроме того, Opportunity побил рекорд по дальности «Лунохода-2», установленный в 1973 году, и показал эффективность работы роверов в суровых марсианских условиях. Дальнейшие миссии марсоходов третьего поколения Curiosity и Perseverance, значительно более совершенные, были бы невозможны без столь впечатляющих результатов миссий Spirit и особенно Opportunity.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
