Лонгрид: Марсоходы, которые изменили всё. Итоги миссии Spirit и Opportunity

В закладки
Аудио

На поверхности Марса в небольшой ложбине Персевиренс покоится марсоход Opportunity. Где-то на противоположной стороне планеты, в 11000 километров, навеки застрял в сыпучем грунте его «брат», ровер Spirit. Сегодня мы расскажем об этих двух произведениях инженерного искусства всё, что может быть вам интересно.

Для начала немного истории. Исследованием Красной планеты NASA занималось в рамках одноименной программы Mars Exploration Program: именно её частью были предыдущие успешные посетители Марса, два аппарата Viking и Mars Pathfinder. По ним, кстати, отлично видна эволюция аппаратов: от посадочных платформ “викингов”, через лёгкий марсоход Соджорнер, который в составе миссии Pathfinder, вот к этим полноценным красавцам-марсоходам.

​От крошки «Соджорнера» — к гиганту Curiosity. NASA JPL

Задача, стоявшая перед роверами, тоже усложнилась.

Если вы зайдёте на сайт MEP сегодня, увидите четыре основные научные цели. Поиск жизни, изучение геологии, изучение климата и пилотируемые исследования. И если о последней говорить рано до сих пор, то вот первыми тремя как раз и должны были заняться аппараты Spirit и Opportunity.

Сама по себе программа Mars Exploration была изначально хорошо продумана: каждый новый этап опирался на успехи предыдущего и учитывал его ошибки. При этом миссии должны были становиться сложнее, инструменты — покрывать большую часть задач. Если продолжить эту линию планирования до сегодня, то мы упрёмся в небольшой марсианский вертолёт Ingenuity, который будет запущен в год выхода этого ролика вместе с марсоходом Персевиренс.

Главное новшество роверов-близнецов было именно в их мобильности. Возможность перемещаться по далёкой планете, собирать и сравнивать образцы в разных геологических областях — то, за что вас расцелует или как минимум обнимет любой земной учёный.

Кроме того после отмены более дорогой миссии ровера Athena NASA хотело перейти к разработке дешёвых и простых аппаратов. Альтернативный проект предполагал запуск орбитального зонда, но его быстро отбросили и остановились на марсоходах.

Spirit тренируется покидать своё укрытие. Пока на Земле. NASA JPL Raw​

Аппараты были основаны на конструкции Афины. Марсоходы решили разместить внутри корпуса, аналогичного тому, который был использован в миссии Mars Pathfinder 1997 года. Вся система тоже должна была амортизироваться при посадке подушками безопасности. Однако, в отличие от миссии 1997 года, корпус с тремя лепестками служил лишь средством доставки роверов на поверхность и не нёс функций научной или вспомогательной станции. Запланированный срок работы аппаратов был 90 марсианских сол, то есть около 92-х земных суток.

На создание и запуск аппаратов NASA выделило около полутора лет. В 2001-м году инженеры приступили к работе.

Закипела работа! Credit: NASA JPL Raw

Итак, давайте поговорим о конструкции марсоходов и их полезной нагрузке. Как я уже сказал, базовой платформой для MER-1 и MER-2 стала Афина: шестиколёсный аппарат с солнечными панелями и роботизированным манипулятором.

Масса роверов по сравнению с предшественником, крошкой Соджорнером, возросла в семь раз и достигла почти 180-ти килограмм. Аппараты могли развивать скорость до трёх метров в минуту и перемещаться по каменистой местности благодаря особой конструкции колёс.

Поговорим немного об инструментах.

Панорамная камера

На отдельной мачте располагалась стереокамера PanCam: она состояла из двух глаз — отдельных камер, и обеспечивала обзор в 360 градусов. Разрешение каждой из камер — 1024х1024 пикселя, матрица была способна получать только чёрно-белые снимки. Однако имелось стандартное для сегодняшних миссий колесо с восемью цветными фильтрами. Именно объединение пропущенного через фильтры света позволяло учёным создавать полноценные цветные фотографии и панорамы.

Помимо цветовых фильтров имелись и особенные: например, левый “глаз” специализировался на наблюдениях в видимом свете, в то время как правый больше работал в инфракрасном диапазоне. У левого была возможность получать изображения вообще без фильтров. А ещё обе камеры имели специальную шторку: она использовалась для прямых наблюдений Солнца. Расположенные на выдвинутой мачте, камеры находились на высоте в 130 сантиметров от поверхности планеты.

Навигационные камеры

Для навигации использовались 6 отдельных камер, которые тоже располагались стереопарами: это позволяло получать более объёмное изображение и заранее отмечать опасные для марсоходов участки. Поле зрения камер равнялось 120-ти градусам, то есть суммарно три пары давали полный обзор в 360 градусов. А ещё два “навигационных” глаза с узким фронтальным обзором всего в 45 градусов находились на мачте под панорамными камерами. Последняя, девятая камера, использовалась для научных исследований, о ней мы поговорим позже.

Калибровочная пластина

Для калибровки снимков инженеры установили на марсоходе специальную пластину. На ней находились полосы различных оттенков серого, а также четыре дополнительных цвета. Всё это — металл различной отражательной способности. Зная реальные цвета этих элементов, учёные при обработке снимков могли калибровать цвета и понимать, как человеческий глаз воспринимал бы окружение в атмосфере марса.

​Калибровочная пластина. NASA JPL​

Отдельная башенка по центру работала как солнечные часы: давала точное направление теней и показывала, как, в зависимости от тени, менялись оттенки серого цвета. На табличке на 17-ти языках было нанесено слово Марс. А в зеркальных полосках по краям должно было отражаться марсианское небо.

Rock Abrasion Tool

Представляя в уме геолога, вы наверняка подумаете о молоточке в его руках. Обязательный инструмент, который позволяет заглянуть под поверхностные слои камней и пород. Однако на марсоходе полноценный молоток установить не удастся, поэтому инженеры придумали RAT. Rock Abrasion Tool или шлифовочный инструмент.

​Расположение инструмента. NASA JPL

Он состоял из двух вращающихся дробилок с алмазными наконечниками и был способен создавать отверстия 45-ти мм в диаметре и 5-ти мм в глубину. Если порода жесткая, вроде вулканического базальта, сверление занимало до двух часов. На более мягких породах иногда хватало и одного часа.

Микроскоп

После того как марсоход поработал “молотком”, в работу вступали инструменты, расположенные на том же роботизированном манипуляторе. Чем хороши просверленные отверстия — так это тем, что вы тут же можете сравнить свежую обнажённую породу с более старой поверхностной. Для начала можно провести обычный визуальный осмотр. В работу вступала та самая девятая камера-микроскоп.

Манипулятор прижимал камеру к исследуемой поверхности, а та получала фотографии с увеличением до 30 микрон — немного больше толщины человеческого волоса. Если немного переместить камеру и получить снимок под другим углом, мы можем создать стереоизображение. Единственный минус: собственного источника освещения у камеры не было, приходилось полагаться на естественный свет в марсианской атмосфере.

Альфа-спектрометр

После визуального осмотра наши геологи принимались за изучение химического состава пород. Для этого на манипуляторе был установлен рентгеновский альфа-спектрометр APXS.

Настоящий физический альфа-гатлинг! NASA MER​

APXS содержал шесть небольших радиоактивных источников, которые бомбардировали образец альфа-частицами (ядра гелия) и рентгеновскими лучами. Глядя на энергию отражённых от поверхности частиц и рентгеновских лучей, инструмент был способен определить элементарный состав породы. Процесс занимал довольно много времени, до десяти часов на одну операцию, так что наблюдения проводились в марсианскую ночь, когда марсоход не двигался. Дополнительным преимуществом ночных наблюдений была значительно более низкая температура: это помогало повысить точность наблюдений APXS.

Гамма-спектрометр

После рентгеновского облучения породы аппарат окончательно добивал её мощным гамма-излучением. Следующий инструмент, спектрометр Массбауэра, позволяет точно определить состав и количественное соотношение железосодержащих минералов.

Гамма-крошка способна быстро облучить поверхность вашей планеты. NASA JPL Raw

Ведь предполагалось, что Марс имеет красноватый цвет поверхности из-за большого количества ржавчины, то есть там должно быть много железа. Этот инструмент использовался и днём и ночью, но исследователи старались не проводить анализ, если температура отклонялась от средней на 10 градусов по цельсию.

Инфракрасный спектрометр

Пока манипулятор активно облучал поверхность планеты, расположенный в нижней части мачты инфракрасный спектрометр исследовал её температуру. Он одновременно наблюдал окружающую атмосферу и ближайшие объекты при помощи панорамных камер.

«Глазок» спектрометра, установленный на мачте. NASA MER

И “заглядывал” в марсианское небо, измеряя температуру слоёв атмосферы. Свет, попадавший в расположенные на мачте камеры, отражался вниз внутри неё и через зеркало перенаправлялся в телескоп и спектрометр Mini-TES. Неочевидно, но сравнение температуры поверхности поздним вечером и ранним утром позволяло выяснить, насколько Марс удерживает солнечное тепло и имеет ли внутренние источники тепла.

Магниты

Ну и наконец самый простенький инструмент: обычные магниты, которые, как и гамма-спектрометр, должны были искать железо. Часть магнитов, расположенная на манипуляторе, пыталась уловить частицы пыли при сверлении. А другие находились в передней части марсоходов и должны были собирать пыль, поднимающуюся в атмосфере Красной планеты.

Один из магнитов. NASA JPL Raw

Последний, самый мощный магнит находился прямо под панорамной камерой. Во время остановок он должен был своим магнитным полем вызывать отклонение пылевых частиц, а камера была способна визуально это запечатлеть.

Имена

Как мы видим, и конструкция роверов, и набор инструментов служили заявленной цели: изучить геологию Марса на мобильной платформе. В 2003-м году MER-1 и MER-2 получают официальные имена. Девятилетняя Софи Коллинс, удочерённая девочка из России, написала пронзительное эссе с воспоминаниями о жизни в детском доме в Сибири:

Ночью я глядела на сверкающее небо и чувствовала себя лучше. Мне снилось, что я смогу туда полететь. В Америке я могу осуществить все свои мечты. Спасибо за «Дух» и за «Возможность”.

Софи Коллинс

Софи Коллинс презентует имена марсоходов

Дух и Возможность, Spirit и Opportunity, были подготовлены к старту летом 2003-го. 10 июня и 8-го июля соответственно ракеты-носители Delta II запустили пару братьев-марсоходов на Красную планету. Спирит прибыл на Марс первым, поэтому сперва поговорим о его достижениях.

Spirit

Посадка Спирита состоялась 4-го января 2004-го года. Находящийся внутри тормозных подушек аппарат подпрыгнул 28 раз и остановился в 300-та метрах от точки касания поверхности. И в 13 километрах от цели, кратера Гусева. Однако за все 6 лет работы он так и не успел туда добраться.

С первых дней Спирит начал передавать невероятно детальные изображения поверхности Марса: он стал первым аппаратом, способным получать и отправлять такие снимки. 21-го января связь с ним была внезапно утеряна, но программисты НАСА быстро нашли баг в программном обеспечении и выпустили патч. 5-го февраля работу удалось возобновить.

Одна из самых известных панорам Spirit у подножья холма МакКул. NASA JPL Raw​

В первую очередь исследователи отправили Спирит в небольшой кратер Бонневилль, примерно в 400-та метрах от точки посадки. Затем марсоход отправился к холмам Коламбия, путешествие и работа около которых заняли большую часть его миссии. В 2005-м году произошло интересное событие: песчаный дьявол смёл с солнечных панелей аппарата пыль, благодаря чему значительно возросла генерация электроэнергии. Тогда же, с вершины холмов, Спирит получил панораму кратера Гусева. А путешествие к холму МакКул было отменено из-за отказа одного из передних колёс.

В 2007-м году инженеры обновили программное обеспечение обоих марсоходов. Отныне Спирит мог сам решать, стоит ли отправлять на Землю тот или иной снимок. И стал более автономен в управлении роботизированным манипулятором. Был намечен дальнейший маршрут — на плато около холмов Коламбия под названием Домашняя Плита.

Визуализация маршрута марсохода. Домашняя плита находится на переднем плане

Однако в планы учёных в очередной раз вмешалась марсианская погода. Из-за пылевой бури, заслонившей Солнце к концу 2008-го года, вместо обычных 700 ватт-час в день солнечные панели Спирита генерировали около 89-ти ватт. В таких условиях научная работа была полностью остановлена, а все силы — направлены на обогрев ровера. Однако со временем ситуация улучшилась, ветер частично сдул пыль с марсохода и он смог генерировать до 370-ти ватт-час. Движение и наука продолжились. В 2009-м году Спирит достиг промежуточной цели и выехал на Домашнюю Плиту. И вслед за погодой марсоходу начала вредить сама геология Красной планеты.

Финальное путешествие Spirit. Credit: NASA JPL Raw/processed by oisiaa​

Первого мая ровер заехал в очень рыхлый и мелкий грунт, где одно из его задних колёс просто застряло и не смогло прокручиваться с необходимой силой. Трения было недостаточно, чтобы высвободить его из ловушки и спустя несколько неудачных попыток выбраться, команда приняла решение переформатировать миссию в стационарную, неподвижную.

Планировалось, что его новой целью станет измерение крошечных колебаний во вращении Марса: это помогло бы определить природу ядра планеты, то есть понять, жидкое оно или твердое.

Однако для этого марсоход нужно было быть слегка наклонить на север и подставить батареи под зимнее северное Солнце. Необходимый наклон не был достигнут и постепенно аппарат вновь начал терять энергию. Пока 22-го марта 2010-го года связь со Спиритом не была окончательно потеряна. Попытки дозвониться до марсохода продолжались аж до 25-го мая 2011-го: в этот день миссию окончательно объявили завершённой.

Если быстро пробежаться по достижениям Спирита, в 2004-м году он нашёл первые признаки существования воды на Марсе. В 2005-м — получил первые изображения пылевых дьяволов с небольшой дистанции. В 2006-м в грунте места под названием Тирон обнаружил следы серы и воды. Тогда же около Домашней Плиты Спирит нашёл чёткие признаки древнего взрыва: разбросанные крупные камни поверх мелкой гальки. Это свидетельства либо вулканических извержений, либо столкновения с метеоритом. А в 2007-м буксующее переднее колесо ровера обнажило почти чистый кремнезём, основной ингредиент стёкол, которые мы на Земле устанавливаем в своих домах.

Всего аппарат проработал на поверхности Марса 6 лет, 2 месяца и 19 дней, наколесив по его поверхности 7730 метров.

И хотя миссия MER-1 в 2010-м фактически остановилась, на другой стороне планеты вовсю продолжал работать брат “Спирита”, Оппортьюнити. Давайте посмотрим, на итоги его жизни.

Opportunity

Как вы помните, Оппи стартовал на три недели позже своего коллеги, поэтому и посадку в кратере Игл совершил аж 25-го января 2004-го года. Его посадка тоже была мягкой, хотя без 26-ти отскоков от поверхности не обошлось. Дистанция до намеченной цели составила почти 15 километров.

Прыг-скок!

К слову, само место посадки получило имя: Станция памяти Челленджера, в честь экипажа разбившегося в 1986-м году Спейс-Шаттла. Исследовав кратер, марсоход сделал его панорамный снимок и уже на выезде обнаружил древний метеорит из никеля.

В начале 2005-го года аппарат застревает в сыпучем грунте — так же, как спустя несколько лет застрянет его брат. Однако команде учёных удалось постепенными чуть ли не рывковыми движениями сантиметр за сантиметром высвободить Оппортьюнити из песка. Операция по спасению заняла 6 недель.

В 2007-м аппарат переживал те же проблемные пылевые бури что и Спирит. Питание падало до 120-ти ватт-час, а научные работы тоже полностью останавливались. Но затем ветер сдул пыль, на небе показалось солнышко и Оппи смог продолжить своё путешествие: определённой заранее целью стал огромный кратер Индевор.

​Калибровочная мишень ровера во время пылевой бури и после неё. NASA JPL​

К концу марта 2010-го аппарат проехал почти в три раза большую дистанцию, чем Спирит, целых 20 километров. И, наконец, 9-го августа 2011-го года прибыл в Индевор. Изучая окрестности кратера, он сперва установил рекорд по продолжительности работы на внеземном объекте, а затем и по пройденной дистанции, обойдя советский аппарат Луноход-2. Одометр ровера на тот момент показывал уже 40.25 пройденных километров.

В 2014-м году постоянные сбои памяти Оппортьюнити вынудили команду миссии провести рискованное обновление: инженеры полностью переформатировали его флеш-память. А к концу того же года полностью отказались от её использования из-за вышедших из строя блоков. Аппарат полностью перешёл на оперативную память.

Седьмая марсианская зима 2015-2016 годов была встречена очередными проблемами. Солнечного света вновь не хватало для генерации электроэнергии и ровер перевели в режим минимальной производительности, чтобы он не замёрз. Хотя научная работа не останавливалась, а сама зима была успешно пережита.

Маршрут Opportunity: от места посадки до кратера Индевор. Для сравнения масштаба на карту нанесены контуры Вашингтона, Округ Колумбия. NASA Goddard.

Продолжая двигаться по западной кромке кратера Индевор, аппарат установил очередной рекорд: успешно проехался по самому крутому склону вне земли: его наклон составил 30 градусов. Оказавшись к концу года уже в западной части кратера, Оппортьюнити принялся изучать воронки и склоны внутри него. Следующей целью стала долина Персевиренс, направляясь к которой аппарат неудачно вывернул одно из передних колёс. Несколько манёвров позволили вернуть это колесо в “прямое” положение и в середине июля 2017-го ровер начал спуск в долину Персевиренс. Там, к сожалению, количество получаемого света значительно снизилось, а когда в 2018-м году начался очередной сезон пылевых бурь, солнечные лучи практически не достигали углубления, в котором оказался Оппортьюнити. 10-го июня он отправил свой последний сигнал и утих навсегда.

Последнее изображение от Оппи. Оно не успело загрузиться полностью.​NASA JPL

Команда NASA с волнением ожидала окончания бурь, однако ни одна из попыток установить связь не увенчалась успехом. 13-го февраля 2019-го года миссию объявили завершённой. Счётчик пройденного расстояния составил 45,16 километра. Как и Спирит, Оппортьюнити совершил множество открытий: обнаружил следы воды, подтвердил, что в прошлом на Марсе была возможна простая микробная жизнь. Аппарат пережил 60 продлений миссии и вместо 90 суток проработал на поверхности Марса 14 лет 11 месяцев и 1 день, что на данный момент остаётся рекордом.

Если говорить о глобальных итогах мероприятия, программа Mars Exploration Rover оказалась невероятно успешной: оба аппарата справились со своими задачами, изучили противоположные полушария планеты, во много раз превзошли изначальные сроки работы и отправили на Землю гигабайты панорам и научных данных. Но самым главным всё же стало само достижение: NASA доказало, что может отправить на Марс недорогие аппараты и с помощью них сделать кучу открытий, которых никто даже не ожидал. Что техника при должном обращении способна работать с десяток лет. И что в следующий раз нужно получше продумать схему питания, возможно, отказаться от солнечных панелей… И заняться подвеской и колёсами.

​Совсем скоро на Марс отправится брат-близнец правого марсохода, Персевиренс NASA Goddard

Все эти выводы, набитые шишки и приобретённый опыт спустя почти десять лет после прибытия Спирита и Оппортьюнити на Марс выльются в следующий этап программы, Марсоход Curiosity. Его миссия продолжается, а, как я уже говорил, в этом году будет запущен и его брат-близнец. Итоги миссии Кьюриости подводить пока рано, но о нём есть что рассказать, так что если вам интересно, напишите об этом в комментариях. А пока отметим только что после активных девяностых интерес NASA к Марсу вынужденно подупал: пришлось экономить и поддерживать другие миссии.

Но команда Альфа Центавра уверена, что уже на нашем веку мы будем как минимум смотреть прямые трансляции с далёкой Красной планеты. Как максимум — сами их проводить.

Если вам нравится то, что мы делаем, пожалуйста, поддержите проект на Patreon или сделайте разовое пожертвование. Для нас это очень важно 🙂

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

28
Войдите, чтобы видеть ещё 29 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Алиса Селезнёва
Вечность назад

У меня в Google Новости появилась ссылка на Альфа Центавра, на данную статью! Так держать! https://i.piccy.info/i9/c9dd72a68d6d7c9df46f5a3ac570d391/1588492709/35436/1376228/ACnew.png

Эллен Рипли
Вечность назад

Очень интересный ролик/статья, спасибо! И дублирование в текстовом виде роликов - хорошая идея, кстати, имхо)

Грустный Илон
Вечность назад

Але, здається мені, ера "луноходоподібних" рухомих дослідників позаземних поверхонь вже на межі свого завершення. Особливо, коли задача створення поселень виходить з мороку фентезійщини в практичну площину інженерії. Може скоро поясню думку і викладу власне бачення, як воно може все піти. Бо не лише інструментальна земна астрономія стоїть перед "затиком", а й подібні дослідники.

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.