Оппортьюніті

Місце посадки на Марсі серед інших апаратів (Оппортьюніті — в центрі)

Основним завданням місії було вивчення осадових порід, які, як передбачалося, мали утворитися в кратерах (Гусєва, Еребус) і суміжних, де колись могло бути озеро або море. Однак класичні осадові породи знайдені не були, в кратері в основному зустрічалися породи вулканічного походження.

Перед місією марсоходу були поставлені такі наукові цілі:[5]:

• Пошук і опис розмаїття гірських порід і ґрунтів, які свідчать про минулу водну активність планети. Зокрема, пошук зразків з вмістом мінералів, які відкладалися під впливом опадів, випарювання, осадження або гідротермальної активності.
• Визначення поширення і складу мінералів, гірських порід і ґрунтів, які оточують місце посадки.
• Визначити які геологічні процеси на Марсі сформували рельєф місцевості і хімічний склад. До цих процесів можуть належать: водна або вітрова ерозія, відкладення осадів, гідротермальні механізми, вулканізм та утворення кратерів.
• Проведення калібрування та перевірки спостережень за поверхнею, зроблених за допомогою інструментів Марсіанського розвідувального супутника. Це допоможе визначити точність і ефективність різних інструментів, які використовуються для вивчення марсіанського геології з орбіти.
• Пошук залізовмісних мінералів, виявлення і кількісна оцінка відносних величин за певними типами мінералів, що містять воду або були сформовані у воді, таких як залізовмісні карбонати.
• Кваліфікація мінералів і геологічних текстур і визначення процесів, які їх утворили.
• Пошук геологічних причин, що сформували ті умови навколишнього середовища, які існували, коли на планеті була присутня рідка вода. Оцінка того, наскільки дані умови були сприятливі для життя на Марсі.

Старт ракети Дельта-2 з марсоходом Оппортьюніті на борту

Опортуніті був запущений ракетою-носієм Дельта-2 7925-H. Ця ракета-носій потужніша, ніж Дельта II 7925, за допомогою якої був запущений його близнюк — марсохід Спіріт.

Запуск Оппортьюніті відбувся пізніше, ніж запуск його близнюка — марсохода Спіріта, Марс перебував на більшій відстані, і тому для успішної доставки вимагалося більше енергії, у зв'язку з цим обрали потужнішу ракету Дельта-2 7925-H. Попри це, основні елементи ракети-носія Delta-2 для місії Mars Exploration Rovers, були практично ідентичні. На старті ракета-носій важила 285 228 кг, з яких 1063 кг — космічний корабель (див. Таблицю нижче).

Сімейство ракет-носіїв Delta-2 перебуває в експлуатації вже більш ніж 10 років. З їх допомогою успішно запущені 90 проектів, в тому числі й останні шість місій НАСА на Марс: «Mars Global Surveyor» і «Mars Pathfinder» в 1996 році, «Mars Climate Orbiter» 1998 року, «Mars Polar Lander» в 1999 році, «Марс Одіссей» 2001 року і «Фенікс» в 2007 році.[6].

Як і в місії «Mars Pathfinder», електроенергію, необхідну для живлення систем марсоходів, виробляють панелі сонячних батарей. Панелі сонячних батарей містяться на «крилах» марсоходів і складаються з окремих осередків, що значно підвищує надійність місії. Їх розробляли спеціально для «Спіріта» і «Оппортьюніті», щоб досягнути максимальну площу збирання світла, наскільки це можливо (див. Знімок ліворуч).

Ще одним нововведенням для марсоходів є додавання потрійного шару з арсеніду галію. Це перше в історії дослідження Марса з використанням тришарових сонячних батарей. Осередки батарей здатні поглинути більше сонячного світла, ніж їх застаріла версія, встановлена на марсоході «Соджорнер», який працював у 1997 році. Сонячні елементи містяться в трьох шарах сонячних батарей марсохода і тому здатні поглинути більше сонячного світла, а внаслідок цього можуть виробляти більше електроенергії для підзарядки літій-іонних акумуляторів роверів.

Під час місії «Mars Pathfinder» марсохід «Соджорнер» використав один літієвий акумулятор ємністю 40 А·год. Під час місії «Mars Exploration Rovers» марсоходи використовують два літій-іонних акумулятора, ємністю 8 А·год кожен. Під час роботи «Оппортьюніті» на Марсі максимальний показник виробітку енергії сонячними панелями був близький до 900 Вт·год за 1 марсіанський день, або сол. В середньому сонячні батареї «Спіріта» і «Оппортьюніті» виробляли 410 Вт•год/сол.

Всі системи марсохода залежать від потужного блоку під назвою «Мозковий центр», який значною захищений від впливів на нього низьких температур. У центрі ровера міститься важливий «Тепловий блок електроніки», який відповідає за пересування ровера, а також за розгортання маніпулятора. Бортовий комп'ютер приблизно такої ж потужності, як і портативний комп'ютер. Пам'яті приблизно в 1000 разів більше, ніж у його попередника — марсохода «Соджорнер».[8]

Бортовий комп'ютер «Спіріта» і «Оппортьюніті» побудований на 32-бітному радіаційно-стійкому процесорі RAD6000, який працює на частоті 20 МГц. Він містить 128 мегабайт оперативної пам'яті, а також 256 мегабайт флеш-пам'яті.

Подібно до нашого мозку, який перебуває під захистом черепа, системи марсохода захищені тим, що встановлені в «Тепловому блоці електроніки», який закріплений в модулі під назвою «Електроніка марсохода». Цей модуль розташований точно в центрі ровера. Золота плівка на стінках блоків допомагає затримувати виділене тепло від обігрівачів, оскільки нічні температури на Марсі можуть впасти до -96 ° C. Термоізоляцією служить шар з аерогеля. Аерогель — унікальний матеріал, що володіє рекордно низькою щільністю й проявляє високу твердість, прозорість, жароміцність, надзвичайно низьку теплопровідність і т. д. В повітряному середовищі при нормальних умовах щільність такої мікроґратки дорівнює 1,9 кг/м³ через наявність міжґраткового повітря, а його щільність всього в 1,5 рази більша ніж щільність повітря, через що аерогель отримав назву «твердий дим».

Весь комплекс, що контролює балансування ровера, можна порівняти з пристроєм людського вестибулярного апарату. Інерціальний вимірювальний пристрій оцінює кут нахилу марсохода, ці дані допомагають роверу робити точніші й плавніші рухи.

Головний комп'ютер проводить також регулярне технічне обслуговування марсохода. Його програмне забезпечення забезпечує правильне функціонування всіх систем.

Інженери зіткнулися з непростим завданням як знизити швидкість космічного апарату з 12000 миль/год під час входження в атмосферу до 12 миль/год при ударі об поверхню Марса[10].

Нове програмне забезпечення допомагає уникати перешкод при пересуванні. Коли зіткнення з породою неминуче, в спрацьовує вдосконалена система підвіски, з якою роверу набагато легше здійснювати маневри[11].

«Спіріт» і «Оппортьюніті» мали здатність долати різні перешкоди на кам'янистій місцевості Марса. Для місії «Mars Exploration Rovers» конструктори модифікували систему підвіски, яку раніше застосовували на марсоході «Соджорнер»[11].

Система підвісок закріплена в задній частині марсохода. Колеса збільшили в розмірах, а також покращили їх конструкцію. Кожне колесо має діаметр 26 сантиметрів. Їх внутрішню і зовнішню частину з'єднує спеціальна спіралевидна структура, яка дозволяє поглинути силу удару і не допустити її поширення. Система підвісок дозволяє краще долати перешкоди, наприклад, камені, які можуть бути більшими ніж самі колеса. Кожне колесо має протектор з характерними виступами, які забезпечують поліпшене зчеплення під час пересування по каменях і м'якому ґрунту. Внутрішня частина коліс складається з матеріалу під назвою «Solimide», який зберігає свою еластичність навіть при дуже низьких температурах і тому ідеально підходить для суворих умов Марса.

Обігрівачі, акумулятори та інші компоненти не здатні вижити в холодні марсіанські ночі, тому вони знаходяться в «Тепловому блоці електроніки». Нічна температура може впасти до -105 ° C. Температура акумуляторів повинна бути вище -20 ° C, коли вони живлять системи марсохода, і вище 0 ° C при їх підзарядці. Обігрів «Теплового блоку електроніки» відбувається від електричних і восьми радіоізотопних обігрівачів, а також від тепла, що виділяє сама електроніка.[12]

Кожен радіоізотопний обігрівач виробляє близько одного вата тепла і містить близько 2,7 г діоксиду плутонію в гранулах, що за формою і розміром нагадують ластик на торці простого олівця. Кожна гранула укладена в металеву оболонку з плутонієво-родієвого сплаву і оточена декількома шарами вуглецево-графітових композитних матеріалів, що весь блок за розміром і формою нагадує C-елементний акумулятор. Ця конструкція з декількох захисних шарів була протестована, причому діоксид плутонію знаходиться всередині обігрівальних елементів, що значно знижує ризик забруднення планети при аварійному руйнуванні марсохода під час посадки. Інші космічні апарати, в тому числі «Марс Пасфайндер» і марсохід «Соджорнер», для підтримки оптимальної температури електроніки використовували тільки радіоізотопні обігрівачі[12].

Спектрометр альфа-частинок (APXS).

Тепловий емісійний спектрометр (Mini-TES).

Головна камера ровера (PanCam).

Автоматична міжпланетна станція проекту MER включає спускний апарат і перелітний модуль. Для різних етапів гальмування в атмосфері Марса і м'якої посадки спускний апарат містить теплозахисний екран конічної форми, парашутну систему, твердопаливні ракетні двигуни і кулясті повітряні подушки.

Марсохід має 6 коліс. Джерелом електроенергії служать сонячні батареї потужністю до 140 ватів[13]. При масі в 185 кг марсохід оснащений буром, декількома камерами, мікрокамерою (MI) і двома спектрометрами, змонтованими на маніпуляторі.[14][15]

Поворотний механізм марсохода виконаний на основі сервоприводів. Такі приводи розташовані на кожному з передніх і задніх коліс, середня пара поворотних приводів не має. Поворот передніх і задніх коліс марсохода здійснюється за допомогою електромоторів, що діють незалежно від моторів, які забезпечують переміщення апарату.

Коли марсоходу необхідно повернути, двигуни включаються і повертають колеса на потрібний кут. Весь інший час двигуни, навпаки, перешкоджають повороту, щоб апарат не збивати з курсу через хаотичний рух коліс. Перемикання режимів поворот — гальмо відбувається за допомогою реле.

Також марсохід здатний копати ґрунт (траншею), обертаючи одне з передніх коліс, сам залишаючись при цьому нерухомим.

Бортовий комп'ютер побудований на процесорі RAD6000 з частотою 20 МГц, 128 МБ динамічної оперативної пам'яті, 3 МБ EEPROM і 256 МБ флеш-пам'яті. Робоча температура робота від мінус 40 до плюс 40 ° C. Для роботи при низьких температурах призначений радіоізотопний нагрівач, який можуть доповнювати також електричні нагрівачі, коли це необхідно.[16] Для теплоізоляції застосовується аерогель і золота фольга.

Інструменти ровера:

• Панорамна камера (Pancam) — допомагає вивчити структуру, колір, мінералогію місцевого ландшафту.
• Навігаційна камера (Navcam) — монохромна, з великим кутом огляду, також камери з нижчою роздільною здатністю, для навігації та водіння.
• Мініатюрний тепловий емісійний спектрометр (Mini-TES) — вивчає скелі й ґрунт, для докладнішого аналізу, також визначає процеси, які сформували їх.
• Hazcams, дві монохромні камери з 120-градусним полем зору, що забезпечують додаткові дані про стан ровера.

Маніпулятор ровера містить наступні інструменти:

• Мініатюрізованний месбауерський спектрометр (MB) MIMOS II — проводить дослідження мінералогії залізовмісних порід і ґрунтів.
• Спектрометр альфа-частинок (APXS) — аналіз хімічного складу скель і ґрунтів.
• Магніти — збір магнітних частинок пилу.
• Мікрокамера (MI) — отримує збільшені зображення марсіанської поверхні з високою роздільною здатністю, своєрідний мікроскоп.
• Інструмент зіскоблювання породи ( en: Rock Abrasion Tool, RAT; букв. Переклад абревіатури — «щур») — алмазний торцевий бур, здатний зробити отвір діаметром 45 мм і глибиною 5 мм на скельній поверхні, а потім змести залишки породи з місця зіскрібка. Інструмент важить 720 грам, споживає потужність 30 Вт.

Роздільна здатність камер 1024×1024 пікселів. Отримані дані зберігаються із стисненням ICER для подальшої передачі.

Місце посадки Оппортьюніті, знімок орбітального апарату Mars Global Surveyor.

Місце посадки Оппортьюніті на Марсі (позначено зіркою)

Основне завдання Оппортьюніті полягала в тому, щоб він протримався 90 сол (92,5 дня), за цей час проводячи численні дослідження Марса. Місія отримала кілька розширень і триває вже протягом Шаблон:Минуло днів днів з моменту посадки.

У процесі посадки марсохід випадково потрапив в кратер (Ігл) посеред плоскої рівнини. Оппортьюніті успішно вивчив ґрунт і зразки гірських порід, передав панорамні знімки кратера Ігл. Отримані дані дозволили вченим НАСА зробити припущення про наявність гематита, а також про присутність в минулому води на поверхні Марса. Після цього Оппортьюніті відправився на вивчення кратера Ендюранс, який вивчався ровером з червня по грудень 2004 року. Згодом Оппортьюніті виявив перший метеорит, нині відомий, як «Heat Shield Rock».

З кінця квітня по червень 2005 року Оппортьюніті не пересувався, оскільки застряг у дюні декількома колесами. Щоб витягти ровер з мінімальним ризиком, за 6 тижнів було виконано моделювання місцевості. Успішне маневрування по кілька сантиметрів за день зрештою звільнило ровер, тим самим дозволивши йому продовжити свою подорож по поверхні червоної планети.

Далі Оппортьюніті вирушив у південному напрямку до кратера Еребус, великого, неглибокого, частково засипаного піском кратера. Після цього ровер попрямував на південь, у бік кратера Вікторія. В період з жовтня 2005 року по березень 2006 року, апарат мав деякі механічні проблеми зі своїм маніпулятором.

В наприкінці вересня 2006 року Оппортьюніті досяг кратера Вікторія, досліджуючи його вздовж краю, рухаючись за годинниковою стрілкою. У червні 2007 року він повернувся в Качину затоку, тобто у вихідну точку прибуття. У вересні 2007 року ровер увійшов у кратер, щоб почати його детальне вивчення. У серпні 2008 року Оппортьюніті залишив кратер Вікторія, попрямувавши у бік кратера Індевор, досяг якого 9 серпня 2011 року.[17] Досягнувши своєї мети, марсохід вирушив до мису Кейп-Йорк, який лежить на західній кромці кратера. Тут орбітальний апарат Mars Reconnaissance Orbiter виявив наявність філлосилікатів, після чого Оппортьюніті почав вивчення порід своїми інструментами, щоб підтвердити ці спостереження з поверхні. Вивчення мису завершилося до настання літа. В травні 2013 року ровер відправили в південному напрямку, в бік пагорба «точка Соландер». В серпні 2013 року Оппортьюніті прибув до підніжжя пагорба, почавши «сходження» на нього.

Загальна кількість пройденого шляху на 26 серпня 2016 (4473 сол) становить 43,1 кілометра (26,78 миль)[18]. Сонячні батареї виробляють 464 Вт*час/сол, при прозорості атмосфери 0,498 і коефіцієнті пилу 0,691 одиниць.

Довге перебування на Марсі не минуло безслідно для Оппортьюніті, місія якого спочатку планувалася на 90 днів. За 10 років роботи з'являвся цілий ряд технічних несправностей:

• Проблеми з маніпулятором;
• У 2007 році у Оппортьюніті виникли несправності в роботі правого переднього колеса (стрибки напруги) — схожа на несправність, яка вивела з ладу праве переднє колесо Спіріта. Інженери дали перепочити колесу, коли ровер довгий час вивчав гірське оголення. В грудні 2013 року ці неполадки знову повторилися. Команда вживає активних заходів заради усуненню цієї несправності;
• Інфрачервоний теплової емісійний спектрометр MiniTES відімкнений з 2007 року, коли його дзеркало забила пилова буря, в зв'язку з чим він не може приймати зображення. Для подальшої експлуатації приладу необхідний сильний потік вітру, який очистить зовнішню поверхню дзеркала від пилу;
• Мініатюрний мессбауерівський спектрометр, який дозволяє визначати сполуки заліза в породах, нині відключений. Застосовуваний в ньому Кобальт-57 має період напіврозпаду 271,8 днів, тому за 9 років роботи він практично вичерпав свій ресурс. Під час зимівлі 2011 Оппортьюніті ще намагався якось його застосувати, в результаті довелося витратити кілька тижнів щоб отримати результати одного зразка;
• Через кілька років перебування на Марсі в Оппортьюніті виникли проблеми з його буром(RAT), за допомогою якого він робить невеликі поглиблення в породі. Тестування показало, що датчики наведення бура на породу працюють некоректно, але інженери, перепрограмувавши програмне забезпечення, вирішили дану проблему;
• Вийшов з ладу один обігрівач.
• 22 квітня 2013 Оппортьюніті самовільно перемикнувся в стан, який можна охарактеризувати як «режим очікування».[19] Оператори на Землі дізналися про це 27 квітня 2013 року. Первинне тестування дозволило встановити, що Оппортьюніті відчув щось недобре в своїх системах 22 квітня, під час вимірювання прозорості атмосфери Марса і перемикнувся в режим очікування. Інженери підозрюють, що марсохід вирішив перезавантажити свій бортовий комп'ютер у той час, коли його камери робили знімки Сонця. 1 травня 2013, по команді з Землі, Оппортьюніті успішно вийшов з «режиму очікування» і відновив свою наукову діяльність.

Оппортьюніті надав переконливі докази на підтримку головної мети його наукової місії: пошук і дослідження каменів і ґрунтів, які можуть містити дані про минуле дії води на Марсі. На додаток до перевірки «водної гіпотези», Оппортьюніті зробив різні астрономічні спостереження, а також з його допомогою були уточнені параметри атмосфери Марса.

7 червня 2013 на спеціальній конференції, присвяченій десятій річниці запуску Оппортьюніті, керівник наукової програми марсоходу Оппортьюніті Стів Сквайрс заявив, що в давні часи на Марсі була вода, придатна для живих організмів. Відкриття було зроблено при вивченні каменю, названого «Есперанс-6» (Esperance 6). Результати чітко свідчать про те, що кілька мільярдів років тому цей камінь перебував у потоці води. Причому ця вода була прісною і придатною для існування в ній живих організмів. Всі попередні свідчення існування води на Марсі зводилися до того, що на планеті існувала рідина, що більш нагадує сірчану кислоту. Опортуніті ж знайшов саме прісну воду[20].

За неоціненний вклад Оппортьюніті у вивчення Марсу, на його честь був названий астероїд 39382. Назву запропонувала Інгрід ван Хаутен-Груневельд, яка разом з Корнелісою Йоханнес ван Хаутен і Томом Герельсом виявили цей астероїд 24 вересня 1960.

Посадкову платформу Оппортьюніті назвали «Меморіальна Станція Челленджера».[21]