Марсоход "Spirit" и "Opportunity"

10 июня 2003 г. в 17:58:46 UTC (13:58:47 EDT) со стартового комплекса SLC-17A станции ВВС США «Мыс Канаверал» был выполнен успешный пуск РН Delta 2 с американской автоматической межпланетной станцией MER-2, получившей собственное имя Spirit. Целью полета являлась доставка марсохода на поверхность Марса в кратер Гусев (15°ю.ш., 175°в.д.). Посадка была запланирована на 4 января 2004 г. в 04:11 UTC. Программа полета, ракета-носитель и сама станция обозначаются MER-A. 8 июля 2003 г. в 03:18:15 UTC (7 июля в 23:18:15 EDT) с соседнего стартового комплекса SLC-17B состоялся запуск РН Delta 2 с идентичной станцией MER-1, названной Opportunity. Второй марсоход прибыл к Марсу 25 января и в 04:56 UTC будет посажен в район 2°ю.ш., 5°в.д. на равнине Меридиана. Эта миссия имеет техническое обозначение MER-B.

Spirit •Оппортьюнити

Лобовой экран посадочного модуля MER. Все вместе имеет массу 1077 кг, из которых 179 кг приходится на ровер, 369.5 кг – на посадочное устройство, 84 кг – на лобовой экран, 209 кг – на хвостовой обтекатель и парашютную систему.	Справа - так выглядела посадка на Марс первого марсохода Spirit. В таком коконе из надувных шаров марсоходы опускались на поверхность. Cлева - конструкторы марсоходов позаботились не только о высокой проходимости и хорошем обзоре, но и о неопрокидываемости этих умелых лабораторий. Высота расположения телекамер - 1,5 м, размах солнечных батарей - 2,3 м, диаметр колеса - 10 дюймов, масса ровера - 174 кг.
Кратер Гусев (крупный в центре) и долина Маадим - сухое русло, по которому в прошлом текла вода. В этом районе находится марсоход Spirit.	Структура и строение роверов NASA

    Решение об отправке на Марс в астрономическое окно 2003 г. двух марсоходов MER было принято летом 2000 г. Каждый из них – это робот-геолог, оснащенный аппаратурой для анализа состава марсианских пород в радиусе нескольких сотен метров. Общая цель миссии – выяснить историю воды на Марсе и ее роль в геологии и климате планеты. Задачи роверов MER были сформулированы следующим образом:
    - Найти и описать различные типы пород и грунта, имеющие следы воздействия воды в прошлом; - Изучить районы, выбранные по результатам съемок с орбиты, в которых предсказаны следы физического или химического воздействия воды; - Определить пространственное распределение и состав минералов, пород и грунта, окружающих место посадки; - Определить природу местных поверхностных геологических процессов по морфологии и химии поверхности; - Подтвердить результаты дистанционного зондирования с орбиты, оценить количество и масштаб неоднородностей; - Определить относительное количество разных железосодержащих минералов, которые содержат связанную воду или гидроксилы, а также железосодержащих карбонатов; - Описать минеральные ассоциации и текстуры разных типов пород и грунта в геологическом контексте; - На основе геологического исследования определить условия среды, при которых существовала жидкая вода, и оценить их пригодность для жизни.
     Два района работы марсоходов были объявлены 11 апреля 2003г.: 150-километровый кратер Гусев и Земля Меридиана. В первом съемками с КА Mars Global Surveyor и Mars Odyssey 2001 выявлен рельеф, очень напоминающий высохшее озеро, а от кратера тянется речная долина Маадим длиной около 900 км. Во втором районе имеются большие залежи серого гематита – минерала, который обычно (но не всегда) формируется в присутствии жидкой воды. Выбрать две точки, ценные с научной и достижимые с технической точки зрения – такова была задача комиссии, которую возглавляли д-р Мэтт Голомбек (JPL) и д-р Джон Грант (Национальный аэрокосмический музей США) и в которой работали более 100 ученых. На первом этапе отбора на поверхности Марса были выявлены 155 или 185 (по разным сообщениям) мест, удовлетворяющих «техническим» требованиям. Место должно находиться недалеко от экватора, в низине. Уклон должен быть невелик. Камней и пыли должно быть немного. Далее в расчет бралась научная «ценность» каждой точки, и в декабре 2001г отобрали четыре из них. Уже в марте 2002г предполагалось сократить их число до двух и в мае, за год до запуска, – утвердить. Однако прошел еще почти год, пока обе точки были названы официально. Почему? Во-первых, к каждой из четырех точек-кандидатов были замечания, серьезность которых требовалось проверить дополнительной съемкой. Во-вторых, до самой весны 2003г в NASA не были уверены, успеют ли они подготовить к астрономическому окну оба ровера. Достаточно сказать, что лишь 16 января 2003 закончились испытания в аэродинамической трубе парашютной системы MER. Поэтому точки объявили тогда, когда стало совершенно ясно: «Успеваем!».
     Космический аппарат MER по своей структуре напоминает русскую матрешку. Внутри – собственно ровер, шестиколесный марсоход. Следующий компонент – посадочное устройство с тремя боковыми треугольными лепестками, раскрытие которых после посадки приводит к принудительному переворачиванию в правильное положение. Чтобы ровер уместился внутри «тетраэдра», его мачта кладется набок, панели солнечных батарей складываются кверху, а передняя пара колес выворачивается причудливым образом. Снаружи на четыре грани «тетраэдра» устанавливаются по шесть надувных амортизаторов, аналогичных использованным на станции Mars Pathfinder. Весь этот «клубок» помещается на лобовой экран и прикрывается сверху хвостовым обтекателем со смонтированной на нем парашютной системой. Спускаемый аппарат собран. Осталось поместить его на перелетную ступень – и вот КА MER готов!
     Все это вместе имеет массу 1077 кг, из которых 179 кг приходится на ровер, 369.5 кг – на посадочное устройство, 84 кг – на лобовой экран, 209 кг – на хвостовой обтекатель и парашютную систему и, наконец, 190.5 кг – на перелетную ступень, которая заправляется 45 кг топлива для коррекций. Перелетная ступень имеет диаметр 2.65 м при высоте 1.60 м. Она оснащена солнечными батареями. Система ориентации со звездным и солнечным датчиками обеспечивает заданный режим полета – закрутку со скоростью 2 об/мин. Двигательная установка для коррекции траектории и направления оси вращения включает два титановых бака топлива (гидразин) и два комплекта двигателей по четыре в каждом. Посадочная платформа изготовлена из композиционного материала и, помимо электроприводов боковых лепестков, имеет моторы подтягивания сдутых амортизаторов, трап для схода ровера, радиовысотомер и две антенны.
     Ровер с развернутыми панелями солнечных батарей и поднятой штангой имеет длину 1.6 м, ширину 2.3 м и высоту 1.5 м. Он втрое длиннее своего знаменитого предшественника Sojourner’а и в 18 раз тяжелее. Корпус ровера изготовлен из сотового композиционного материала с теплоизоляцией из аэрогеля. Внутри его электронагревателями и восемью радиоизотопными источниками (2.7 г двуокиси плутония-238 в каждом) поддерживается температура не ниже -20°C. Здесь размещены аккумуляторные батареи, 32-битный компьютер Rad-6000 (20 млн операций в секунду, 128 Мбайт оперативной и 3 Мбайт постоянной памяти) и служебная аппаратура. На треугольной верхней плоскости установлены три антенны – остронаправленная HGA, ненаправленная LGA и антенна UHF-диапазона для ретрансляции через спутники Марса – и штанга научной аппаратуры. Остальная ее часть и две откидные створки заняты трехслойными фотоэлементами общей площадью 1.3 м² и суммарной мощностью 140 Вт. Пять литий-ионных аккумуляторных батарей используются во время спуска, а две из них питают ровер марсианской ночью.
     Ходовая часть ровера включает шестиколесное шасси со специальной подвеской, позволяющей ему преодолевать высокие препятствия. Колеса ровера алюминиевые, диаметром 26 см. Центр масс аппарата находится очень низко, что позволяет ему не опрокидываться при наклоне до 45° в любую сторону. В бортовом компьютере, однако, запрограммировано ограничение по уклону в 30°. Независимый привод передних и задних колес позволяет роверу развернуться на месте. Бортовое навигационное ПО обеспечивает движение к заданной с Земли цели с обходом препятствий, которые «видят» две пары навигационных камер – передняя и задняя. Ожидаемая протяженность маршрута запланированная для каждого ровера – 600 м, максимальный суточный переход – до 40 м, максимальная скорость – 5 см/с, средняя – 1 см/с.
     Через антенну HGA ровер может вести передачу со скоростью более 11 кбит/с. Примерно половина информации будет, однако, передана не напрямую, а через орбитальные ретрансляторы MGS, Mars Odyssey и – в порядке демонстрации совместимости – через Mars Express.

Научная аппаратура (Athena)
     Панорамная камера PanCam (Panoramic Camera). Эта цветная стереокамера служит для получения панорам с разрешением 1’ на пиксел, определения характера поверхности и препятствий движению, выбора образцов для изучения, а также поиска следов, оставленных водой. Она размещается на штанге на высоте около 1.3 м над грунтом. Два объектива разнесены на 30 см, а угол между осями составляет 1°. Штанга может поворачиваться на 360° относительно вертикальной оси, а головка объективов наклоняться на угол от -90° до +90°. Камера использует ПЗС-детекторы с матрицей 1024x2048, причем одна ее «половинка» ведет накопление «картинки», а вторая используется как буфер для передачи кадра. Поле зрения камеры – 16.8x16.8° при фокусном расстоянии 38 мм и относительном отверстии 1:20, глубина резкости – от 1.5 м до бесконечности. Имеются восемь фильтров: «прозрачный» на диапазон 400–1100 нм и узкополосные. Рядом с PanCam установлена черно-белая широкоугольная навигационная стереокамера меньшего разрешения.
     Термоэмиссионный спектрометр Mini-TES (Mini-Thermal Emission Spectrometer) определяет по инфракрасному излучению минеральный состав деталей окружающего рельефа (карбонаты, силикаты, органические молекулы, минералы, сформированные в воде) и позволяет выбрать образцы для детального изучения. Кроме того, определяется тепловая инерция камней и грунта. Прибор также планируется использовать для составления детального профиля температуры в пограничном слое марсианской атмосферы. Mini-TES представляет собой интерферометр Майкельсона на диапазон 5–29 мкм; угловое разрешение составляет 20 или 8 мрад (1.1 и 0.45°). Прибор размещен в корпусе ровера и использует мачту панорамной камеры как перископ. Он ограничен пределами от -50° до +30° по углу места.
    Четыре инструмента для детального исследования образцов находятся на манипуляторе IDD (Instrument Deployment Device) в передней части ровера. Их работу можно наблюдать с передней пары навигационных стереокамер:
     Альфа - и рентгеновский спектрометр APXS (Alpha-Particle and X-ray Spectrometer) определяет элементный состав пород и грунта (за исключением водорода). Образцы зондируются альфа-частицами и рентгеновскими лучами, испускаемыми радиоактивным изотопом кюрий-244, а энергетический спектр рассеянных альфа-частиц и вторичных рентгеновских лучей регистрируется. Имея самостоятельную ценность для определения истории коры Марса, процессов выветривания и воздействия воды, данные APXS облегчают и дополняют анализ минерального состава с помощью других инструментов.
     Мёссбауэровский спектрометр (Moessbauer Spectrometer) с двумя радиоактивными источниками на кобальте-57 определяет с высокой точностью структуру ядерных уровней железа-57, что позволяет установить состав и относительное количество железосодержащих минералов. Кроме того, будут определены магнитные свойства поверхностных материалов, по которым можно судить о природных условиях в ранние эпохи существования Марса. Это очень «медленный» прибор – одно измерение требует 12 часов работы.
     Камера-микроскоп (Microscope Imager) позволяет рассмотреть анализируемые другими приборами образцы пород и грунта на масштабах в сотни микрометров. При этом будут видны характерные особенности осадочных пород, образовавшихся в воде, детали, связанные с вулканической активностью и метеоритной бомбардировкой, а также, возможно, те детали в марсианских карбонатах, которые исследовательская группа Криса МакКея считает микроокаменелостями биологического происхождения. Фокусное расстояние камеры составляет 20 мм, поле зрения – 31x31 мм, матрица – 1024x1024 пиксела, разрешение – 30 мкм/пиксел, изображение панхроматическое (400–680 нм).
     Чтобы очистить образцы от пыли и выветренных поверхностных слоев, используется шлифовальное устройство RAT (Rock Abrasion Tool). С его помощью с образца базальта за 2 часа можно снять до 5 мм на площадке диаметром 45 мм.
    Кроме того, каждый ровер имеет три магнитные ловушки с магнитами различной силы, на которых будут оседать обладающие магнитными свойствами частицы пыли. Одна ловушка установлена на передней части ровера и доступна для анализа спектрометрами, вторая находится на верхней плоскости в поле зрения панорамной камеры, а третья – на устройстве RAT. Наконец, на корпусе ровера имеются калибровочные мишени для трех спектрометров и цветная калибровочная таблица для панорамной камеры, выполненная в форме солнечных часов.

Первый запуск: подготовка и ход полета 2003

    Запуски двух станций планировались в период с 30 мая по 19 июня и с 25 июня по 15 июля 2003 г. 27 января в Космический центр имени Кеннеди были доставлены для предстартовой подготовки компоненты станции MER-2 – перелетная ступень, посадочная ступень и аэродинамический экран. 24 февраля в Корпус обслуживания опасных ПН привезли такой же комплект MER-1 плюс марсоход MER-2. Наконец, 11 марта прибыл марсоход MER-1. На космодроме сразу же были проведены функциональные испытания КА. На ровере MER-2, который шел по графику первым, 6 и 9 марта проверили развертывание створок посадочного устройства, солнечных батарей ровера, подъем мачты с камерой и сделали контрольную съемку с этой камеры. 20–23 марта аппарат прошел второй функциональный тест, и 28 марта марсоход был установлен на посадочное устройство.
     Ровер MER-1 проверили 21 марта на маневрирование среди препятствий, имитирующих поверхность Марса. 31 марта был проведен тест развертывания солнечных батарей и камеры, 2 апреля – развертывание и проверка штанги научной аппаратуры, 4 апреля – второй функциональный тест. В это время была обнаружена серьезная проблема. В полете ровер с его компьютером и аппаратура на посадочной платформе и перелетной ступени соединены кабелями, которые перерезаются перед разделением соответствующих компонентов. При испытаниях «вдруг» выяснилось, что аппарат может неправильно отреагировать на сбойные «сигналы», формирующиеся в момент перерезания кабелей. Кабельная сеть на обоих аппаратах потребовала доработки, из-за которой старт первого аппарата отложили до 5 июня.
     В конце апреля был полностью собран посадочный комплекс MER-2: посадочная ступень и на ней ровер, защищенные экраном, а 7 мая он был состыкован с перелетной ступенью. 11 мая аппарат был заправлен и 23 мая собран в головной блок вместе с третьей, твердотопливной ступенью ракеты. Сборка ракеты на стартовом комплексе SLC-17A началась с установки 1-й ступени 23 апреля и 2-й ступени 28 апреля. После испытаний 1-й ступени на нее навесили девять стартовых ускорителей – 13, 14 и 15 мая по три штуки. Утром 27 мая головной блок привезли на старт и установили на ракету, а 31 мая закрыли головным обтекателем. 28 мая запуск был отложен на 3 дня, до 8 июня.     Выбранные названия КА, как и имя победителя конкурса, были торжественно объявлены в прямом телевизионном репортаже из Космического центра имени Кеннеди на мысе Канаверал 8 июня 2003 года . Руководитель NASA и маленькая светловолосая девочка убрали кусок ткани, прикрывавший стенд, и все увидели два слова из разноцветных букв - Spirit и Opportunity-«Дух» и «Возможность». Девятилетняя ученица третьего класса из аризонского города Скоттсдейл Софи Коллис, ставшая победительницей конкурса, предложила эти слова, вспоминая свою детскую мечту о полете к звездам. «Звездный дух» зародился у нее, когда она еще жила в детдоме в Сибири. Удочеренная несколько лет назад американской семьей. 8 июня было два «мгновенных» стартовых окна – в 14:05:55 и 14:44:07 EDT. Запуск не удалось выполнить из-за плохой погоды – сильный ветер, гроза. Та же история повторилась и 9 июня, и лишь 10 июня в первое из двух «окон» Delta 2 стартовала. Через 9 мин 39 сек вторая ступень вышла на опорную орбиту высотой около 170 км. После 15-минутной баллистической паузы в T+26 мин 29 сек прошло второе включение ДУ 2-й ступени с подъемом орбиты до 163x4762 км. На этой орбите отделился головной блок, и в T+30 мин 30 сек прошло включение РДТТ Star-48B. Наконец, в T+36 мин 40 сек прошло отделение КА. Сигнал от него принят через 51 мин.

     3 января 2004  высоко в небе Марса промелькнул огненный след, напоминающий метеор. Там, где он погас, появилась светлая точка, плавно перемещавшаяся по небу и постепенно увеличивающаяся в размере. Затем под парашютом стал раздуваться белый кокон, напоминающий комок гигантских слипшихся шариков для пингпонга, состоящий из 24 выпуклых полусфер. В непосредственной близости от поверхности Марса парашют, отброшенный направленным взрывом пиропатронов, отскочил в сторону, вспыхнули и погасли тормозные двигатели и с высоты 10-15 м кокон упал на планету, подпрыгнул на несколько метров, еще раз упал, снова подпрыгнул - и так пять раз. Каждый прыжок становился все ниже и ниже, пока странный предмет не замер неподвижно, теряя свою форму, и наконец совсем обмяк - как будто из надувной игрушки выпустили воздух. Когда сдувшаяся оболочка опала на грунт, то обнаружилось, что внутри нее находится металлическая платформа, на которой расположена сложной формы конструкция с шестью колесами - марсоход Спирит. 20 дней спустя вся эта картина повторилась с точностью до мельчайших деталей, но уже совсем в другом районе Марса - на противоположной стороне планеты. Так началась марсианская одиссея двух роботов-вездеходов, чтобы искать ответ на давний вопрос: «Есть ли жизнь на Марсе?»

Строение марсоходов и их инструменты

     Вездеходы Mars Exploration попытаются определить историю геологии и климата мест Марса, которые, как считают ученые, были благоприятными для формирования жизни. Каждый вездеход оснащен блоком инструментов, которые будут использоваться для исследований.
     Для миссии Mars Exploration существуют следующие приоритеты в исследованиях:
     1) Поиск разнообразных скал и почв, содержащих информацию о деятельности воды (минералы, осадки, испарение, гидротермальная деятельность)
     2) Определение содержания минералов в пространстве на месте посадки.
     3) Определение геологических процессов, происходивших на Марсе.
     4) Уточнение и подтверждение данных дистанционного зондирования в местах посадки.
     Для выполнения научных задач вездеходы обладают следующими приборами:
     Инструменты, предназначенные для осмотра:
     1) Панорамная камера с высоким разрешением будет делать стерео изображения. Она дополняет камеры навигации вездехода. Панорамы с Марса будут с очень высоким разрешением. Угловое разрешение камеры в 3 раза выше, чем на камерах Mars Pathfinder. Снимки камер помогут ученым определить, какие скалы подвергать исследованию другими приборами, а также они помогут заметить следы водной эрозии, если такие существуют.
     2) Мини-температурный спектрометр, видит инфракрасное излучение, выдаваемое объектами. Прибор может определить издалека минеральную композицию марсианской поверхности. Он поможет выбрать специфические почву и камни для подробных исследований. Наблюдение в инфракрасном диапазоне позволяет видеть сквозь пыль, которая покрывает скалы. Прибор может определить наличие карбонатов, силикатов, органических молекул и минералов, формировавшихся в присутствии воды. Инфракрасные данные также помогут ученым определить возможность удерживать тепло скалами и почвой. Кроме изучения скал, прибор может изучить инфракрасное излучение атмосферы. Эти данные дополнят материалы, полученные термическим спектрометром Mars Global orbiter, находящийся сейчас на орбите, около Марса.
     Инструменты в рычаге (смотрите рисунок):
     1) Прибор Microscopic - комбинация микроскопа и камеры (предел видимости прибора около ста микрон). Блок формирования изображения поможет определить осадочные скалы, которые формировались в воде, и таким образом поможет ученым смоделировать прошлую водную среду Марса. Этот инструмент также даст информацию о скалах, сформировавшихся под действием вулканического влияния.
     2) Поскольку многие наиболее важные минералы содержат железо, на аппарате установлен спектрометр Mossbauer предназначенный для определения с высокой точностью содержания железа. Идентификация железа в минералах даст информацию о ранних марсианских условиях. Спектрометр также способен изучать магнитные свойства поверхностных материалов и определяющих минералов, формированных в горячих, водянистых средах, которые могли бы сохранить ископаемое подтверждение марсианской жизни. Энергетическая установка прибора - два радиоактивных источника, содержащих cobalt-57, каждый из них размером с обычный карандашный ластик.
     3) Рентгеновский спектрометр альфа частиц точно определяет элементы, из которых состоят скалы и почва. Эта информация поможет дополнить анализ минералов, осуществленный другими приборами.
     4) На рычаге аппарата установлен также прибор для очищения скал. Прибор подвергает расчистки область диаметром 4,5 см в диаметре и 5мм в глубину.
     Кроме того, на аппаратах установлены сборщики пыли, находящейся в воздухе. Пыль будет подвергаться исследованиям рентгеновским спектрометром. Устройства эти изготовлены в Дании.

 http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/

     В январе 2005 года по предложению нидерландского астронома, открывшего два новых астероида, Международный астрономический союз присвоил им названия Spirit и Opportunity, отметив тем самым годовщину успешной работы марсоходов на поверхности Марса. Это стало первым случаем, когда астероиды назвали в честь космических станций. До сих пор для этого использовали имена мифологических персонажей, фамилии людей и названия городов. Теперь по своим орбитам, пролегающим между Марсом и Юпитером, движутся каменные тезки марсоходов - небольшие астероиды Spirit и Opportunity. Диаметр первого равен 5 км, а второго - 7. Они совершают один оборот вокруг Солнца за 8 лет.