55 млн километров до Марса — марсоходы исследуют дно озёр и рек

Код машин 3 окт. 2021 г.

Кратер Гейла не очень большой. Его диаметр чуть больше ста пятидесяти километров. В центре кратера имеется пик, именуемый горой Шарпа. Кратер древний, ударного происхождения.

Цвета на карте соответствуют разнице высот на поверхности. Синим и голубым цветом обозначены низины (от -9 до -1 км), красным, желтым и белым - возвышенности (от 1 до 14 км).

Вот этот красно-желтый регион, который в среднем намного выше, чем остальная часть Марса, называется Тарсис, или провинция Фарсида. Он покрыт вулканами, один из которых - Олимп - гора, высотой почти в 22 километра.

С другой стороны от Тарсиса находятся Долины Маринер - система каньонов, по размеру затмевающая все земные. Эта система тянется на 4500 км в длину и имеет глубину до 11 км.

На противоположной стороне Марса находится равнина Эллада - ударный бассейн. Перепад высот от края кратера до дна - 9 км. Высочайшая гора Земли - Эверест (8 848 км), целиком поместилась бы в этот кратер!

Зимой равнину покрывает иней, и в любительские телескопы она выглядит как очень яркое пятно. Считается, что эту область сформировал огромный астероид 4-4,3 млрд лет назад.

К западу от равнины Эллада находится самая древняя область Марса - Noachis Terra, или Земля Ноя. Поверхность ее была сформирована потоками воды: весь этот древний регион испещрен следами от рек и озер.

Во время исследований Марса ученые нашли в Земле Ноя отложения гипса и глины и при этом не обнаружили следы соли, открытие указывает на то, что очень давно в этом регионе текла пресная вода.

По соседству с Землей Ноя расположена равнина Аргир - хорошо сохранившийся ударный бассейн. Диаметр этой структуры почти 800 км, а глубина чуть больше 5 км. Это второй по размеру ударный бассейн Марса после равнины Эллада.

Считается, что равнина Аргир сформировалась от удара крупного астероида 4 млрд. лет назад, в начале нойского периода, когда Марс процветал: по его поверхности текли реки, у него была атмосфера, а средняя температура держалась на уровне +25 градусов Цельсия.

Вернемся к горе Олимп. К западу от нее находится одна из самых гладких и молодых равнин Amazonis Planitia. Большая часть пород равнины представлена застывшей вулканической лавой, по мнению ученых, она извергалась 10 - 100 млн лет назад. На равнине отсутствуют вулканы, а в ее центре нет гор и кратеров, считается, что лава изливалась из трещин в марсианской коре.

Любопытная деталь: недавно ученые обнаружили здесь следы огромных разливов лавы, которые, как предполагается, происходили в истории Марса довольно часто. И, что самое интересное, эти лавовые потоки текли по той же канальной системе, что и вода. Некоторые специалисты думают, что на Марсе до сих пор возможен вулканизм, и через несколько миллионов лет по поверхности планеты может снова потечь лава.

А это потухший вулкан Элизий. Он возвышается над окружающими лавовыми равнинами почти на 14 км. Вместе с другими вулканами он формирует вулканический район, известный как нагорье Элизий, его диаметр составляет около 2 тыс км.

К нагорью примыкает равнина Элизий - обширные низменности, которые занимают бОльшую часть Северного полушария. Ученые считают, что в нойский период равнина была покрыта океаном. Сегодня там хорошо сохранились ударные бассейны и русла, которые когда-то заполняла вода.

На этой равнине совершали посадку три аппарата NASA: марсоход Spirit в 2004 году (юго-восток равнины, кратер Гусев), марсоход Curiosity в 2012 году (юго-запад равнины, кратер Гейл), научная лаборатория Insight в 2018 году (западная часть равнины).

Кьюриосити» (англ. Curiosity, — любопытство, любознательность^[12]) — марсоход третьего поколения, разработанный для исследования кратера Гейла на Марсе в рамках миссии НАСА "Марсианская научная лаборатория" (Mars Science Laboratory, сокр. MSL). Марсоход представляет собой автономную химическую лабораторию в несколько раз больше и тяжелее предыдущих марсоходов «Спирит» и «Оппортьюнити»^[2][4].

Запущен с мыса Канаверал 26 ноября 2011 года в 15:02 UTC и приземлился на Aeolis Palus внутри Гейла на Марсе 6 августа 2012 года в 05:17 UTC^[13] ^[14]. Предполагаемый срок службы на Марсе — один марсианский год (686 земных суток); в декабре 2012 года двухлетняя миссия Curiosity была продлена на неопределенный срок^[15].

С августа 2012 года по 14 апреля 2021 года марсоход преодолел 25,06 км, а также 26 раз бурил поверхность Марса и исследовал 6 проб грунта.

Характеристики

Масса «Кьюриосити» после мягкой посадки составила 899 кг, в том числе 80 кг научного оборудования^[16].

Размеры: марсоход имеет длину 3 м, высоту с установленной мачтой 2,1 м и ширину 2,7 м^[17]. «Кьюриосити» гораздо больше своих предшественников — марсоходов «Спирит» и «Оппортьюнити», которые имели длину 1,5 м и массу 174 кг (в том числе 6,8 кг научной аппаратуры)^[18][19][20].
Передвижение: на поверхности Марса MSL способен преодолевать препятствия высотой до 75 см. Максимальная скорость на твёрдой ровной поверхности составляет 144 метра в час^[9]. Максимальная предполагаемая скорость на пересечённой местности составляет 90 метров в час при автоматической навигации. Средняя же скорость, предположительно, составит 30 метров в час. Ожидается, что за время двухлетней миссии MSL пройдёт не менее 19 километров^[21].
Источник питания: «Кьюриосити» питается от Радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГ), им успешно пользовались спускаемые аппараты «Викинг-1» и «Викинг-2» в 1976 году^[22][23].

РИТЭГ является генератором, который производит электроэнергию от естественного распада изотопа плутония-238. При естественном распаде этого изотопа выделяется тепло, которое преобразуется в электроэнергию, обеспечивая постоянный ток в течение всего года, днём и ночью; также тепло может использоваться для подогрева оборудования (переходя к нему по трубам). При этом экономится электроэнергия, которая может быть использована для передвижения марсохода и работы его приборов^[22][23]. «Кьюриосити» получает электропитание от энергоустановки, предоставленной Министерством энергетики США^[24], содержащей 4,8 кг плутония-238^[24], закупленного, предположительно, в России^[25][26][27]. Плутоний в виде диоксида упакован в 32 керамические гранулы, каждая размером примерно в 2 см^[18].Генератор «Кьюриосити» является последним поколением РИТЭГов, сделан компанией Boeing, и называется «Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator» или MMRTG.^[28] Основан на классической технологии РИТЭГов, но является более гибким и компактным^[28]. Он рассчитан на производство 125 Вт электрической энергии (0,16 лошадиной силы в пересчете на единицы измерения мощности автомобильных двигателей) из примерно 2 кВт тепловой (в начале миссии)^[22][23]. Со временем мощность MMRTG станет падать, но при минимальном сроке службы в 14 лет его выходная мощность снизится лишь до 100 Вт^[29][30]. Энергоустановка MSL генерирует 2,5 кВт·ч каждый марсианский день, что гораздо больше, чем выход энергоустановок марсоходов «Спирит» и «Оппортьюнити» (около 0,6 кВт·ч за марсианский день).

Система отвода тепла (HRS): температура области, в которой будет находиться «Кьюриосити», может колебаться от +30 до −127 °C. Система отвода тепла прокачивает жидкость через трубы общей длиной в 60 м в корпусе MSL, чтобы чувствительные элементы системы находились в оптимальной температуре^[31]. Другие методы нагрева внутренних компонентов включают в себя использование тепла, которое было выделено от приборов, а также лишнего тепла от генератора MMRTG. HRS также имеет способность охлаждать свои компоненты, если это необходимо.^[31] На космическом аппарате установлен криогенный теплообменник, произведенный в Израиле компанией Ricor Cryogenic and Vacuum Systems. Он позволяет сохранять температуру различных отсеков аппарата на отметке в −173 °C^[32].
Компьютер: на марсоходе установлено два одинаковых бортовых компьютера (Side-A и Side-B^[33]) под названием «Rover Compute Element» (RCE) под управлением процессора RAD750 с частотой 200 МГц; они содержат радиационностойкую память. Каждый компьютер включает в себя 256 кБ EEPROM, 256 МБ DRAM, и 2 ГБ флэш-памяти.^[34] Это количество, в целом, больше 3 МБ EEPROM^[35], 128 МБ DRAM и 256 МБ флэш-памяти, которые имелись на марсоходах «Спирит» и «Оппортьюнити»^[36]. Используется многозадачная ОСРВ VxWorks.

Компьютер постоянно следит за марсоходом: например, сам может повысить или понизить температуру в те моменты, когда это необходимо^[34]. Он даёт команды на фотографирование, вождение марсохода, отправку отчёта о техническом состоянии приборов. Команды марсоходу передаются операторами с Земли^[34]. В случае, если с одним из компьютеров возникают серьезные проблемы, то все управление аппаратом можно перенаправить на второй. После утечки данных с компьютера Side-B, вызванной аппаратными и программными проблемами, инженеры JPL пришли к выводу, что наиболее правильным является переключение управление марсохода с компьютера B на A, который использовался изначально с момента посадки на Марс^[33].Компьютеры используют процессор RAD750, который является преемником процессора RAD6000, использованного в Mars Exploration Rover.^[37][38] RAD750 способен выполнять до 400 млн операций в секунду, в то время как RAD6000 — лишь до 35 млн^[39][40]. Из двух бортовых компьютеров один настроен в качестве резервного и возьмёт на себя управление в случае возникновения проблем с основным компьютером^[34].Марсоход имеет инерциальное измерительное устройство (Inertial Measurement Unit)^[34], оно предоставляет информацию о местоположении марсохода, используется как навигационный прибор.

Связь: «Кьюриосити» имеет две системы связи. В первую входят передатчик и приёмник X-диапазона, с помощью которых марсоход связывается напрямую с Землёй, со скоростью до 32 кбит/с. Вторая работает в диапазоне ДМВ (UHF) и создана на базе программно-определяемой радиосистемы Electra^[en]-Lite, разработанной в JPL специально для космических аппаратов. ДМВ-радио используется для связи с искусственными спутниками Марса. Несмотря на то, что у «Кьюриосити» имеется возможность прямой связи с Землёй, бо́льшая часть данных будет ретранслироваться орбитальными аппаратами, обеспечивающими бóльшую пропускную способность за счёт бо́льшего диаметра антенн и более мощных передатчиков. Скорости передачи данных между «Кьюриосити» и каждым орбитальным аппаратом могут быть 2 Мбит/с («Марсианский разведывательный спутник») и 256 кбит/с («Марс Одиссей»), каждый спутник имеет возможность держать связь с «Кьюриосити» приблизительно 8 минут в день^[41]. Также у орбитальных аппаратов заметно больше временно́е окно, в котором имеется возможность связи с Землёй.

При посадке телеметрия могла отслеживаться всеми тремя спутниками, находящимися на орбите Марса: «Марс Одиссей», «Марсианским разведывательным спутником» и «Марс-экспресс» — Европейского космического агентства. «Марс Одиссей» служил в качестве ретранслятора и передавал телеметрию на Землю в потоковом режиме. На Земле сигнал принимали с задержкой в 13 минут 46 секунд, необходимой для преодоления радиосигналом расстояния между планетами.

Манипулятор: на марсоходе установлен трёхсуставный манипулятор длиной 2,1 м, на котором смонтированы 5 приборов общей массой около 30 кг. Они смонтированы на конце манипулятора в крестовидной башне-турели, способной поворачиваться на 350 градусов. Диаметр башни с приборами составляет около 60 см. Во время движения манипулятор складывается.

Два прибора, APXS и MAHLI, являются контактными инструментами. Остальные 3 прибора — ударная дрель, щётка и механизм для забора и просеивания образцов грунта — выполняют функции добычи и приготовления материала (образцов) для исследования. Дрель имеет 2 запасных бура. Она способна делать в камне отверстия диаметром 1,6 см и глубиной 5 см. Добытые манипулятором образцы могут также исследоваться приборами SAM и CheMin, расположенными в передней части корпуса марсохода^[42][43][44]. Ровер оборудован инструментом для измерения содержания метана: это небольшая полость с зеркальными стенками, внутри которой установлены лазер и детектор (см. иллюстрации). Поглощение лазерного света на длинах волн, соответствующих метану, позволяет определить концентрацию его в атмосфере планеты. Фоновое содержание метана на Марсе составляет около 0,4 миллиардных долей, тогда как фоновая концентрация метана на Земле сейчас равна примерно 1800 миллиардных долей^[45]. Однако, в этом приборе есть метан, привезённый с Земли, а спектрометр АЦС (ACS), установленный на искусственном спутнике Марса ExoMars Trace Gas Orbiter (миссия ЭкзоМарс), метана в атмосфере Марса с орбиты не нашёл^[46].Из-за разницы между земной и марсианской (38 % земной) гравитацией массивный манипулятор подвергается различной степени деформации, для компенсации разницы которой устанавливается специальное программное обеспечение (ПО). Работа манипулятора с данным ПО в условиях Марса требует дополнительного времени для отладки.^[47]

Мобильность марсохода: как и в предыдущих марсоходах, Mars Exploration Rovers и Mars Pathfinder, «Кьюриосити» имеет платформу с научным оборудованием, всё это установлено на шести колёсах, каждое из которых имеет свой электродвигатель, причём два передних и два задних колеса будут участвовать в рулении, что позволит аппарату разворачиваться на 360 градусов, оставаясь при этом на месте^[48]. Колёса «Кьюриосити» значительно больше, чем те, которые использовались в предыдущих миссиях. Каждое колесо имеет определённую конструкцию, которая будет помогать марсоходу поддерживать тягу, если он застрянет в песке, также колёса марсохода будут оставлять след в виде регулярного отпечатка на песчаной поверхности Марса. В этом отпечатке при помощи кода Морзе в виде отверстий записаны буквы JPL (англ. Jet Propulsion Laboratory — Лаборатория реактивного движения).^[49]

При помощи бортовых камер марсоход распознаёт элементы регулярного отпечатка колёс (узоры) и сможет определить пройденное расстояние.

«Персеверанс»^[4][5][6] (англ. Perseverance, американское произношение: [ˌpɜːrsəˈvɪrəns]; в переводе на русский язык — «Настойчивость») — марсоход, разработанный для исследования кратера Езеро на Марсе в рамках экспедиции НАСА «Марс-2020». Был изготовлен Лабораторией реактивного движения НАСА и запущен к Марсу 30 июля 2020 года. Посадка на Марс была произведена 18 февраля 2021 года^[1]. По состоянию на 16 августа 2021 года марсоход преодолел 2,67 км^[7].

«Персеверанс» имеет семь научных инструментов для изучения поверхности Марса в районе кратера Езеро. У него есть несколько камер для съёмки и два микрофона для записи звука. В состав полезной нагрузки был также включён беспилотный летательный аппарат (БПЛА) вертолётного типа Ingenuity с единственной целью демонстрации возможности полётов на Марсе^[8]. Возможность дальнейшего использования вертолёта для помощи в разведке трассы марсохода, предлагаемая рабочей группой Ingenuity, программой экспедиции не предусмотрена. Более того, рабочая группа «Персеверанс» настаивала на том, что обслуживание запросов испытателей вертолёта отнимает время от основных задач, стоящих перед «Марс-2020»^[9].

Конструкция и характеристики

Конструкция марсохода «Персеверанс» учитывала разработки предыдущего марсохода «Кьюриосити»^[10][11]. Инженеры переработали колёса ровера, сделав их более жёсткими по сравнению с колёсами «Кьюриосити», которые получили повреждения в процессе работы на Марсе^[12]. «Персеверанс» получил более толстые и прочные алюминиевые колёса с меньшей шириной и бо́льшим диаметром (52,5 см) по сравнению с «Кьюриосити» (50 см)^[13][14]. Шесть колёс из лётного алюминиевого сплава оснащены «шипами» для лучшей тяги и изогнутыми спицами из титана для подрессоривания^[15][16]. Из-за наличия большего количества научных инструментов и модифицированных колёс «Персеверанс» тяжелее «Кьюриосити»^[14] на 14 % (1025 кг по сравнению с 899 кг у предыдущего ровера)^[2]. Марсоход оснащён пятисуставным роботизированным манипулятором-«рукой» длиной 2,1 м. «Рука» совместно с поворачиваемой башней-турелью предназначена для захвата и анализа геологических образцов с марсианской поверхности^[17].

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG) ровера использует тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразует её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора. Он имеет массу 45 кг и использует 4,8 кг диоксида плутония в качестве источника энергии^[18]. На момент запуска марсохода с Земли генератор вырабатывал примерно 110 Вт энергии, но с каждым годом это значение будет снижаться^[18]. Также на ровере установлены две литий-ионных перезаряжаемых батареи. Радиоизотопный термоэлектрический генератор, предоставленный Министерством энергетики США, должен обеспечить 14 лет работы марсохода^[18]. Он позволит марсоходу работать по ночам и в условиях пылевых бурь, что было бы невозможным при использовании солнечных батарей^[18].

Марсоход использует радиационно устойчивый одноплатный компьютер на базе процессора RAD750 с частотой 133 МГц и 128 Мбайт динамической памяти. Программное обеспечение также позволяет использовать 4 Гб энергонезависимой NAND-памяти на отдельной карте^[19].

Для поддержки испытательных полётов бесполётного вертолёта Ingenuity на борту марсохода смонтировано дополнительное радиооборудование: стандартный модуль SiFlex2 производства LS Research и штыревая антенна, аналогичные установленным на вертолёте. Аппараты могут поддерживать связь по протоколу Zigbee на частоте 914 МГц на расстоянии до 1000 метров и передавать информацию на скорости до 250 кбит/с в режиме одностороннего или 20 кбит/с в режиме двустороннего радиообмена^[20]. Руководство миссии Perseverance подчёркивает, что вертолёт не входит в число инструментов марсохода, доставлен на Марс только для демонстрационных полётов^[21], обслуживание его коммуникационных потребностей требует немалых ресурсов времени для передачи информации на Землю, и его эксплуатация не должна наносить ущерб главным научным задачам всей миссии^[22].

Экспедиция

Зоны доступности для марсохода в кратере Езеро и дельте Неретвы
обозначена синим

Научные задачи

При разработке и утверждении программы экспедиции «Марс-2020» были поставлены четыре научные задачи по исследованию Марса^[24]:

Оценка жизнепригодности Марса, в том числе мест и условий, в которых может поддерживаться микробная жизнь.
Поиск биосигнатур, которые могут подтвердить существование микробной жизни на Марсе в прошлом.
Отбор, сбор и хранение проб камней и почвы с марсианской поверхности — в последующем материалы должен доставить на Землю возвращаемый аппарат.
Подготовка к высадке человека на Марсе: проведение тестов по производству кислорода из марсианской атмосферы.

Полёт к Марсу

Марсоход «Персеверанс» был запущен 30 июля 2020 года в 11:50 UTC (в 7:50 по местному времени) на борту ракеты Atlas V со стартового комплекса SLC-41 на мысе Канаверал во Флориде. Полёт к Марсу продолжался около семи месяцев. В ходе полёта положение «Персеверанс» с прикреплённым к его днищу вертолётом «Ingenuity» можно было увидеть в специальном разделе на сайте НАСА^[25].

Хронология движения

Карта перемещений марсохода Perseverance и вертолета Ingenuity

Единственным источником данных настоящей таблицы служит официальный интернет-сервис НАСА Location Map for Perseverance Rover («Карта местонахождения марсохода»). При пополнении таблицы по записям загружаемого оттуда файла Waypoints.geojson используются координаты (с точностью не более 6 знаков после запятой) и отметки высоты (округлять до 2 знаков после запятой) из подгруппы "geometry":{"type":"Point","coordinates":[E,N,h]}.

Геология района, обследуемого марсоходом

Из 58 поступивших предложений^[35][36] в июле 2014 года специалисты НАСА отобрали семь научных инструментов, которые были утверждены для установки на марсоход^[37][38]:

Планетарный инструмент для рентгеновской литохимии (Planetary Instrument for X-Ray Lithochemistry, PIXL), рентгенофлуоресцентный спектрометр для точного определения элементного состава материалов с поверхности Марса^[39][40].
Радиолокационный визуализатор для марсианского подповерхностного эксперимента (Radar Imager for Mars' subsurface experiment, RIMFAX), георадар для получения изображений грунтов разной плотности, структурных слоёв, подповерхностных горных пород, метеоритов и обнаружения подземного водяного льда и соляного рассола на глубине до 10 м. Прибор предоставлен Научно-исследовательским институтом министерства обороны Норвегии (норв. Forsvarets forskningsinstitutt)^[41][42][43].
Анализатор динамики окружающей среды на Марсе (Mars Environmental Dynamics Analyzer, MEDA), набор датчиков для измерения температуры, скорости и направления ветра, давления, относительной влажности, радиации, а также размера и формы частиц марсианской пыли. Прибор предоставлен Астробиологическим центром Испании^[44].
Марсианский исследовательский эксперимент с кислородом in situ (Mars Oxygen ISRU Experiment, MOXIE), исследование технологии по производству кислорода (O₂) из диоксида углерода (CO₂) марсианской атмосферы^[45]. Установка должна производить по 22 грамма кислорода в час на протяжении 50 солов. В случае успеха технология будет масштабирована 200:1 и использоваться для в производства кислорода в промышленных масштабах для будущих миссий на Марс, как для жизнеобеспечения людей, так и для создания ракетного топлива^[45].
SuperCam, набор инструментов для оптического, химического и минералогического анализа камней и почвы на Марсе. Является усовершенствованной версией прибора ChemCam, установленного на марсоходе «Кьюриосити». Прибор имеет два лазера и четыре спектрометра для удалённого поиска биосигнатур и оценки возможности существования марсианской жизни в прошлом. Прибор разработан и изготовлен Лос-Аламосской национальной лабораторией в кооперации с Исследовательским институтом астрофизики и планетологии Франции, французским космическим агентством (Национальный центр космических исследований), Гавайским университетом и Вальядолидским университетом^[46].
Мультиспектральный стереоскопический прибор для визуализации Mastcam-Z с зум-объективом.
Рамановское и люминесцентное сканирование пригодной для жизни среды для поиска органических и химических веществ (Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals, SHERLOC), ультрафиолетовый рамановский спектрометр, использующий точную визуализацию и ультрафиолетовый лазер для определения мелкомасштабной минералогии и обнаружения органических веществ^[47][48].

Также на марсоходе расположены несколько камер, и — впервые для марсианского аппарата — два микрофона, которые запишут звук во время посадки аппарата на Марс^[49], а также во время поездок ровера по поверхности и во время сбора образцов^[50].

Марсианский аппарат-разведчик Ingenuity отправился в полёт к Марсу, прикреплённый к днищу марсохода «Персеверанс», однако в случае успешной посадки он сможет осуществлять самостоятельные короткие полёты для разведки местности.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Кьюриосити