Historia poznawania Marsa (część 4)

Nie jest przesadą powiedzieć, że gdyby nie było misji Viking nie byłoby również teraz łazika Curiosity na Marsie. Wielki krok w eksploracji Czerwonej Planety poczyniono właśnie na przełomie lat 70. i 80. Misja Viking – jedna z najambitniejszych dotychczasowych misji, pozwoliła sięgać dalej i odkrywać więcej. Dziś o misji Viking.

Misja Viking dzieliła się na dwa loty. Każdy ze statków Viking 1 i Viking 2 składał się z orbitera i lądownika. Jakkolwiek orbitery korzystały z technologii Marinera, to już lądowniki były konstrukcją tworzoną od nowa. Sondy te były o wiele masywniejsze od swoich poprzedników i już konfiguracja rakiety Atlas – Centaur nie wystarczyła do ich wyniesienia (dużo paliwa bowiem wymagały lądowniki i samo hamowanie dużej masy podczas dotarcia w pobliże Marsa). Zastosowano więc kombinację Titan IIIE – Centaur.

Lądowniki Viking miały bazę aluminiową, wspieraną przez trzy rozkładane nogi. Instrumenty naukowe były przymocowane do górnej podstawy lądowników. Energię do każdego z nich dostarczały radioizotopowe termogeneratory elektryczne (RTG) (podobnie jak w misji MSL, o czym można przeczytać tutaj)

Na tej marsjańskiej mapie czerwonym prostokątem zaznaczony został obszar lądowania VIkinga 2 - Utopia Planitia.

Na tej marsjańskiej mapie czerwonym prostokątem zaznaczony został obszar lądowania VIkinga 2 – Utopia Planitia.

Zdjęcie przedstawia wygląd orbitera misji Viking - projekt zaczerpnięty z wcześniejszych Marinerów.

Zdjęcie przedstawia wygląd orbitera misji Viking – projekt zaczerpnięty z wcześniejszych Marinerów.

dostarczające energii o mocy 30 W i pod napięciem 4.4 V. RTG zasilał izotop Pluton 238. Generatory umieszczone zostały po przeciwnych stronach, osłonione wiatrochronami. Dodatkowym wyposażeniem były niklowo-chromowe baterie wielokrotnego ładowania.

Napęd orbitera składał się z rakiet na hydrazynę (N2H4) umieszczonych w 4 klastrach wokół lądownika po 3 dysze w każdym. Jednostką napędową lądownika były trzy 6-dyszowe zestawy silników na hydrazynę.

Viking 1 wystartował 20 sierpnia 1975 roku, Viking 2 natomiast 9 września tego samego roku. Viking 1 dotarł do planety 19 czerwca 1976 i pierwszy miesiąc przeznaczył na fotografowanie powierzchni by znaleźć odpowiednie miejsca dla lądowania swojego lądownika i tego już dolatującego z misji Viking 2. 20 lipca lądownik Viking 1 osiadł na Złotej Równinie. Viking 2 wszedł na marsjańską orbitę 7 sierpnia. Wylądował 3 września po drugiej stronie marsjańskiego globu na Utopia Planitia (grafika obok).

Głównymi celami misji było dostarczenie zdjęć wysokiej rozdzielczości z powierzchni Marsa, zbadanie składu i struktury marsjańskiej gleby, kompozycji chemicznej atmosfery oraz puszukiwaniu śladów życia. Oba lądowniki były wyposażone w sejsmometry (w Vikingu 1 zawiódł) i przyrządy pomiarów meteorologicznych.

Misja ta była przełomem, gdyż dostarczyła najbardziej w tym czasie kompletnego obrazu Marsa. Nie należy nie docenić misji orbiterów. One bowiem wysłały tysiące zdjęć odkrywając wiele charakterystycznych struktur: wulkany, kaniony, ogromne kratery, obiekty uformowane przez wiatr, dowody na istnienie niegdyś wód powierzchniowych, równiny lawowe. Zdjęcia wyraźnie podzieliły obszar planety na równinną północ i wysokie, kraterowe południe.

Lądowniki zmierzyły temperatury od -123 C do -23 stopni Celsjusza. Zaobserwowały sezonowe burze piaskowe, zmiany ciśnienia atmosferycznego, i przepływ gazów atmosferycznych między biegunami.

Głośnym i do dziś spornym odkryciem był wynik jednego z eksperymentów, który odkrył życie na Marsie. Do dziś naukowcy nie są zgodni co do niego. Wielokrotnie podważane wyniki, zostały w końcu oddalone oficjalnie przez NASA. Dziś jasno stwierdza się, że żaden z lądowników Vikinga śladów życia nie wykrył.

W następnych odcinkach serii lata 80. i 90. W tym pierwszy marsjański łazik.

Na podstawie:

Po lądowaniu: sol 3

Curiosity przygotowuje się do aktualizacji oprogramowania. Obecnie zainstalowana wersja służyła kierowaniu robotem w trakcie podróży i lądowania i w tej chwili jest już nieaktualna. Na kilka dni przed lądowaniem wysłano plik z nową wersją, która w najbliższych trzech solach powinna zostać uruchomiona na obydwu jednostkach sterujących robotem. Robot posiada dwa niezależne od siebie komputery co wynika z potrzeby redundancji. [Redundancja to jedna z rzeczy, o której przeczytacie na stronie w przysżłości – clrk]

Na koniec sol 3 odebraliśmy na Ziemi ciekawe zdjęcia przedstawiające kolejno:

  • Pełną 360 stopniową panoramę otoczenia łazika wykonaną kamerą MastCam. Widać na niej brzeg krateru i wznoszącą się ponad pole widzenia kamery górę. Jaśniejsze pola na ziemi tuż przy robocie to miejsce, na które skierowane były strumienie z silników odrzutowych. Na zdjęcie w pełnej rozdzielczości trzeba jeszcze poczekać – robot dopiero przygotowuje je w swojej pamięci.

    Panorama Krateru Gale’a, źródło: NASA JPL

  • Zdjęcie własne robota. Naukowców zaskoczyła obecność żwiru na osłonach RAD. Spodziewano się, że silniki odrzutowe podniosą w powietrze odrobinę pyłu, jednak to co leży na robocie jest większe od tego, co zwykliśmy nazywać drobinami. Największe odłamki mają ponad 1 cm.

    Autoportret Curiosity, źródło: NASA JPL

W trakcie sol 3 przygotowano także mapę terenu i wstępnie określono pierwszy cel, na jaki skieruje się Curiosity w swojej badawczej wędrówce na zbocze Góry Sharp. To niewielki grzbiet skalny widoczny na powyżej „wydmuchanej” przez silniki odrzutowe łaty po prawej stronie panoramy.

Fragment Kreateru Gale’a, Curiosity znajduje się w kwadracie 51. Źródło: NASA JPL

W sumie Curiosity przesłała ponad 200 MB danych.

DESCENT czyli bezpieczne zejście nad powierzchnię planety

Tym razem zajmę się opisaniem drugiego etapu lądowania Curiosity. Odpowiadając na pytanie z maila – piszę o EDL na podstawie wiadomości z oficjalnej ulotki NASA oraz wiadomości i dyskusji na anglojęzycznych forach tematycznych.

Descent to w języku polskim „zejście”. Nazwę taką wybrano być może ze względu na łagodniejszy charakter tego etapu (w porównaniu do Entry). Tym razem opadająca z naddźwiękową prędkością kapsuła zwolni do 300km/h, otworzy się i uwolni rakietowy żuraw, którego zadaniem będzie dalsze wyhamowanie i bezpieczne osadzenie robota na powierzchni.

Około 4,5 min po wejściu w atmosferę planety ładunki wybuchowe uwolnią spadochron, którego zadaniem będzie zwolnienie pędzącej kapsuły. Stanie się to na wysokości około 11km nad powierzchnią, przy prędkości około 2000km/h. NASA ma duże doświadczenie w bezpiecznym zrzucaniu rzeczy na powierzchnię Marsa z wykorzystaniem spadochronu. Od czasu Vikingów wykorzystuje się ten sam sprawdzony projekt z wyciętym pierścieniem po zewnętrznej stronie „kaptura”. Ta cecha znacznie poprawia stabilność spadochronu. Niemniej spadochron Curiosity różni się w pod jednym względem – jest ogromny, największy jaki do tej pory wysłano na Marsa. Jego średnica wynosi 21,5 m. Dla porównania spadochrony obu łazików MER miały średnicę 14 m a Pathfinder ok 13 m. Na zdjęciu widać rozmiar spadochronu. Jest imponująco wielki!

Projektanci gwarantują sprawne działanie spadochronu przy prędkości początkowej 2,2 Macha. MSL zacznie hamować przy prędkości poniżej 2 Machów. Zagrożeniem dla lądowania będzie niewytłumaczone dotąd zjawisko obracania się kapsuły wokół osi kapsułą-środek spadochronu. Statek będzie próbował przeciwdziałać obrotom wykorzystując niewielkie rakietowe pędniki działające w przeciwnym kierunku do niechcianych obrotów.

Po zwolnieniu do prędkości poddźwiękowej kapsuła może bezpiecznie odrzucić dolną osłonę. Kilka ładunków oderwie część żaroodporną od kapsuły i element ten opadnie na bezpieczną odległość od MSL. Separacja osłony żarowej nastąpi około 8km nad powierzchnią, 278 sekund po wejściu w atmosferę. W sumie spadochron spowolni lot kapsuły międzyplanetarnej o 95% w stosunku do początkowej prędkości.

Curiosity landing: Powered descent phase5 sekund po odsłonięciu żaroodpornej pokrywy kapsuły wmontowany w rakietowy „podniebny żuraw” czujniki lądowania rozpoczynają pracę rozpoznania terenu. Dane z czujników trafią do komputera sterującego lądowaniem, który ma nakierować opadający łazik dokładnie w miejsce lądowania. Stanie się to dopiero po odłączeniu się łazika i podniebnego żurawia, na wysokości ok 1,5km nad powierzchnią i prędkości 80m/s. Na jedną sekundę łazik będzie swobodnie spadał pozbawiony hamujących spadochronem „pleców” kapsuły. Następny etap to zejście na odrzutowych silnikach, które wyposażone w 400 kg paliwa mają opuścić żuraw na wysokość ok 35m. Ten etap lądowania jest w pełni sterowalny i pozwoli zbliżyć się możliwie dokładnie do zaplanowanego miejsca lądowania.

W następnym poście przeczytacie o ostatnim etapie lądowania Curiosity – Landing  czyli po prostu Lądowanie. W następnej kolejności postaram się znaleźć trochę informacji o aeroshell – żaroodpornej osłonie i spadochronie wykorzystanych przy lądowaniu. Do zobaczenia!

ENTRY czyli wejście w atmosferę Marsa

W poprzednim poście krótko napisałem o budowie kosmicznego „pocisku”, którym łazik Curiosity mknie na Marsa z zawrotną prędkością około 20 tyś. km na godzinę. W następnych 3 postach postaram się przybliżyć Wam procedurę bezpiecznego lądowania na planecie.

Entry to pierwsze 4 z 7 bardzo dokładnie przemyślanych „minut grozy”, w trakcie których pojazd zwolni wprost do 0. Bardzo karkołomny manewr, nad którym mają zapanować zaprogramowane układy kapsuły. Tutaj, na Ziemi nie będziemy mieli żadnego wpływu na przebieg lądowania. Sygnał radiowy oznajmiający wejście kapsuły w atmosferę Czerwonej Planety dotrze na Ziemie kilka minut zetknięciu się Curiosity z powierzchnią Marsa.

W tej chwili w JPL w Pasadenie trwają ostatnie przygotowanie do tego momentu. Wczoraj ponownie uruchomione pędniki rakietowe zmieniły prędkość obrotową robota (w tej chwili kapsuła wykonuje 2 obroty na minutę) i nakierowały go dokładnie w miejsce zetknięcia z atmosferą. Na dwie godziny przed wejściem pojazdu w atmosferę rakiety zatrzymają całkiem ruch obrotowy kapsuły, wtedy też zostanie odłączona cruise stage.

Tuż przed wejściem w atmosferę „nos” żaroodpornej tarczy zostanie ustawiony odpowiednim kątem – manewr uda się wykonać odrzucając dwa, 75 kilogramowe „balansy”. Miejsce zetknięcia z atmosferą wyliczono jako punkt znajdujący się 131 km nad miejscem lądowania.

Siły działające na kapsułę MSL w chwili wejścia w atmosferę

W chwili wejścia w marsjańską atmosferę kapsuła nie zachowuje się jak spadający kamień. Kąt natarcia oraz prędkość i rzadka atmosfera planety wytworzą siłę nośną – będzie ona leciała, powoli hamując w rzadkim marsjańskim powietrzu. Taki stan umożliwi niewielką kontrolę lotu MSL, kapsuła będzie mogła poruszać się w górę, dół i na boki, w zależności od wskazań komputera. Nawigacja będzie przebiegać w oparciu o stałe – punkt wejścia w atmosferę, mapę planety jak i informacje o ruchu kapsuły, dostarczone przez żyroskopy. Zastosowanie tego rozwiązania (guided entry) jest pionierskie w dziejach podboju kosmosu i pozwoliło na znaczne zawężenie obszaru, w jakim robot zetknie się z powierzchnią. Dopóki nie otworzy swojego spadochronu, wpływ atmosfery jest w pełni korygowany przez decyzje komputera.

Wielkość robota, kąt natarcia, masa i niespotykana prędkość ok. 6km na sekundę biją na głowę wszystkie wartości, jakimi charakteryzowały się inne misje lądujące na Marsie. Wszystko to zmusiło inżynierów NASA do wybudowania maksymalnie lekkiej i efektywnej osłony termicznej. Zastosowana w przypadku MSL „muszla” zbudowana jest z nowoczesnych materiałów PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator). Średnica tej osłony wynosi 4,5 m.

W 75 sekund po wejściu w atmosferę planety osłona ta osiągnie szczytową temperaturę ponad 2100st Celsjusza – większą od temperatury stopionej lawy. Konstrukcja osłony zapobiega przedostaniu się tego żaru do wnętrza kapsuły. W skutek hamowania atmosferycznego kapsuła MSL wytraci 90% prędkości a przeciążenie jakie wytworzy manewr może wynieść do 15g!  90 sekund po wejściu MSL przestaje zwalniać. W tym momencie jego prędkość powinna wynosić około 1500 km na godzinę – najwyższa pora otworzyć spadochron.

Zanim statek przejdzie do fazy zejścia (descent), pozbędzie się jeszcze kilka kilogramów „zbędnego” ładunku. Na tę chwilę kapsułę MSL wyposażono w 6 25kg obciążników po przeciwnej stronie do poprzednio wyrzuconych balansów. Na potrzeby lądowania zabrano w sumie 300 kg dodatkowego, „martwego” ładunku! Przy cenie 16000 $ za każdy wyniesiony w kosmos kilogram taka ilość może dziwić. Niestety, Wielkie Rzeczy wymagają wielkich pieniędzy (i poświęceń – przyp. autor:)).

Tym razem zmiana środka ciężkości ma umożliwić lot, który nazwano SURF (Strighten Up and Fly Right). Przy okazji, kapsuła obróci się o 180 stopni, celując radarem powierzchniowym we właściwą stronę. Za chwilę odpalone ładunki wystrzelą spadochron, o czym napiszę w następnym poście.

na podst. MSL Press Kit

9 dni do godziny zero

W tej chwili łazik Cutiosity i oprzyrządowanie potrzebne do lądowania na Marsie są upakowane w kosmiczną kapsułę MSL. Spód tej lejowatej konstrukcji stanowi żaroodporna tarcza, boki i wierzchołek to osłona tylna, podłączona do cruise stage, którą stanowią baterie słoneczne i układ chłodzący.  Ciepło produkowane przez RTG (źródło zasilania łazika) odprowadzane jest przez ten układ zabezpieczając wnętrze kapsuły przed przegrzaniem.

Cruise stage jest wyposażona w jeszcze jeden ważny element -rakiety, wykorzystywane do korekty trajektorii lotu. W trakcie podróży na Marsa planowo odpalane są 5 razy, ostatni na 2 godziny przed lądowaniem. Po tym użyciu cruise stage zostanie odłączona od kapsuły, by rozbić się gdzieś na powierzchni planety.

Zastosowanie cruise stage to sprawdzony sposób na podejścia do Marsa, wykorzystywany już w poprzednich misjach na planecie – Mars Pathfinder, MER i Phoneix. Poza układem odprowadzającym ciepło cruise stage MSL nie różni się od swoich poprzedników. Dzięki zastosowaniu tego elementu kapsuła trafi w atmosferę planety z doskonałą precyzją.

Wyjątkowość lądowania Curiosity rozpoczyna się po oddzieleniu się kapsuły od cruise stage. Wszystkie dotychczasowe lądowania ograniczały się do wejścia w atmosferę, wyhamowania w niej i lądowania „gdzieś” w regione. Miejsce lądowania określały ponad stu milowe obszary – to warunki atmosferyczne decydowały ostatecznie w którym miejscu osiedli poprzednicy MSL. Curiosity będzie starał się zapanować nad całym procesem lądowania i osiąść w miejscu wyznaczonym z bardzo dużą dokładnością. O tym jak ma wyglądać pierwsza część EDL, czyli entry napiszę wkrótce.