kosmo.cz - Nepilotované lety - Program Mars (USA)

Start	M.označ.	Hmotnost	Popis
04.12.1996	1996-068A	890 kg	- sonda k Marsu s mini vozidlem (Sojourner)

Mars Pathfinder (kresba)

MARS PATHFINDER (převzato z L+K 17/97)

Sagan Memorial Station hlásí: "Tekla tudy voda!"

Ing. MARCEL GRÜN

Mars Pathfinder vznikl jako příprava pro vybudování sítě malých levných přistávacích zařízení MESUR (Mars Environmental Survey) na přelomu století. Odtud pochází název "průkopník". Po rozdělení programu na "Mars Pathfinder" a "Mars Network" (který byl r. 1993 zcela zrušen) vedení NASA převedlo Pathfinder r. 1991 z AMES Research Laboratory do Pasadenské JPL.

V roce 1992 bylo rozhodnuto doplnit sondu o miniaturní vozítko (Microrover) Rocky-IV. Název Sojourner dostalo až v létě 1995 podle návrhu třináctileté vítězky soutěže The Planetary Society pro mládež V. Ambroise[ové] z Bridgeportu (což byla přezdívka bojovnice za práva černochů Isabelly Van Wagenerové).

Roku 1992 byl Mars Pathfinder jako první projekt zařazen do programu Discovery, jehož heslem je "rychleji, levněji, lépe". Úvodní projekt předpokládal náklady ve výši do 150 mil. USD, což je cca 1/15 ceny sond Viking. S ohledem na chronologii startů byl Mars Pathfinder označen Discovery II. Sonda sama stála 171 mil., vozítko 25 mil., start 61 mil. a zabezpečení provozu příjde na dalších 15 mil. - celkem tedy nynějších 280 mil. USD. Cílem sondy zůstalo ověření nové techniky, avšak uskuteční se i několik vědeckých experimentů, zaměřených na strukturu atmosféry, meteorologii, geologii Marsu atd.

POPIS SONDY

Sonda při vypuštění sestávala z přistávacího modulu, ochranného aerodynamického štítu a sestupového zařízení, které byly až do příletu k cíli uzavřeny v meziplanetárním úseku. Hmotnost při vzletu byla 890 kg vč. pohonných látek, při příletu k Marsu 566 kg a po přistání 360 kg (z toho 25 kg tvoří užitečné zatížení).

MEZIPLANETÁRNÍ (PŘELETOVÝ) ÚSEK

měl tvar válce o průměru 2,65 m a délce 1,5 m. Na jeho povrchu byly čtyři segmenty článků slunečních baterií o ploše 2,5 m2, které poskytovaly u Země až 450 W. Ke korekcím přeletové dráhy sloužilo 8 korekčních motorků o tahu po 4,45 N (93 kg hydrazinu pro změnu rychlosti až o 130 m/s). Na přeletové dráze sonda zvolna rotovala.

PŘISTÁVACÍ MODUL

má tvar čtyřstěnu o hraně asi 0,9 m, se třemi hliníkovými panely, které se po přistání rozevírají jako "okvětní lístky". Slouží i jako sjezdová rampa vozítka a na vnitřní ploše jsou sluneční články o ploše 3,3 m2. V modulu je veškerá elektronika včetně systému tepelné regulace. Sonda je řízena integrovaným systémem, jehož jádrem je komerční jednočipový 32-bitový mikropočítač IBM Rad6000 s antiradiační ochranou. Paměť DRAM o kapacitě 128 MByte pro záznam dat pracuje rychlostí až 22 mil. instrukcí/s. 64 MByte je vymezeno pro obrazové záznamy. Přes tento počítač je vedena veškerá komunikace se Zemí i s vozítkem.

Oboustranné spojení Pathfinder-Země se uskutečňuje v pásmu X (8 GHz). Na přistávacím modulu je všesměrová anténa a anténa s velkým ziskem. K dispozici je jediný kanál a technická i vědecká data jsou přenášena multiplexem. Při využití. sítě DSN s anténami o průměru 34 m je poměr signál/šum 6000:1, tj. asi 37 dB, což umožňuje digitální přenos rychlostí 1200 bit/s. Při využití antén o průměru 70 m lze použít rychlosti až 8200 bit/s. Přicházející signál má hodnotu -146 dBm (dB na miliwatt), čili 2,5.10-18 W.

Elektrickou energii dodávají sluneční články, které spolu s dobíjecími stříbrozinkovými akumulátory poskytují na povrchu Marsu až 850 Wh za jasného dne a cca 400 Wh při písečné bouři. Pathfinder byl sterilizován podle mezinárodních norem. Jen některé části (anténa, padák apod.) však byly sterilizovány v peci, zbytek byl ošetřen chemicky.

PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ

IMP - Imager For Mars Pathfinder (5,2 kg, 2,6 W)

Stereoskopický barevný zobrazovací systém se sadou výměnných spektrálních filtrů pro každý ze dvou kamerových kanálů (původně navržen jen monoskopický systém). Kamera je umístěna na vysunovací tyči asi 1 m nad povrchem a krokové motorky umožňují její pohyb v azimutu a v elevaci.

Optiku tvoří dva triplety (f/18, efektivní ohnisková vzdálenost 23 mm, rozlišení 1 miliradiánu - pro srovnání Viking měl v černobílém režimu 0,7 a v barevném 1,4) a dále dvě zrcadla, vzdálená od sebe 0,15 m pro vytvoření stereo-efektu. V obou optických svazcích je vložen dvanáctipolohový výměník s filtry, každý CCD detektor má 256x256 prvků.

Kromě stereoskopických snímků budou pořizována monoskopická panoramata okolí v 8 spektrálních pásmech. Zobrazovací systém bude využíván i při meteorologických pozorováních. Např. vrstva aerosolu bude měřena zobrazováním Slunce pomocí dvou filtrů, vlhkost atmosféry sledováním Slunce s jinými filtry, obsah prachových částic v atmosféře nočním sledováním Phobosu atd. Atmosférické proudění bude patrné z fotografií několika větrných rukávů. Zajímavé budou i snímky otisků kol roveru a permanentních magnetů na plošině sondy, k nimž přilnou prachové částice.

ASI/MET - Atmospheric Structure Instrument/Meteorology Exp. (2,04 kg, 3,2 W)

Technický systém, umožňující získat informace o atmosféře během přistávání (profily hustoty, teploty a tlaku od výšky 100 km až k povrchu) a po dobu činnosti na Marsu. Teplotní čidla tvoří termočlánky - jeden pro měření při sestupu, další ve výšce 25, 50 a 100 cm nad povrchem. Vikingy měly čidlo jen v jedné výšce a nemohly proto získat informace o vertikálním proudění.

ROVER

Podstatnou novinkou ve výzkumu Marsu je první pohyblivý prostředek MFEX (Microrover Flight Experiment). Lze ho ovládat ze Země, avšak řada činností se vykonává autonomně. Základem je hliníková konstrukce na šestikolovém podvozku Rocker-Bogie, navrženém v JPL koncem 80. let. Hmotnost je 11,5 kg, délka 630 mm, šířka 480 mm, výška 280 mm a zdvih podvozku 130 mm. Na "zádech" nese panel slunečních baterií (0,22 m2, 0,34 kg), pokrytý 234 články GaAs/Ge, poskytující max. 16,5 W. Normální spotřeba je asi 10 W. Mimořádně lze zvýšit odběr až na 30 W připojením tří záložních baterií o kapacitě po 12 Ah, které však nelze dobíjet.

Rover má vlastní řídicí systém s 8 bitovým mikroprocesorem Intel 80C85 s rychlostí 100 000 instrukcí/s a operační pamětí RAM 0,576 Mbyte. Komunikuje se 70 sensory a ovládá i kamery, modem, motory a elektroniku. Do paměti lze uložit vždy jen 1 obrázek.

Jízdní vlastnosti při pozemních testech byly skvělé. Každé kolo má vlastní náhon s převodem 2000:1, přední a zadní pár je samostatně nastavitelný, což umožňuje prakticky otočení na místě. Typická dopředná rychlost pohybu je 0;4 m/min a předpokládá se zvládnutí překážek o výšce 0,26 m se sklonem do 30°.

Akční radius je 500 m. Sonda i rover jsou vybaveny radiovými modemy (UHF) s rychlostí přenosu 2400 bit/s. Pokud se rover vzdálí víc než 10 m, dostane se mimo kontrolu palubní kamery a bude odkázán sám na sebe. Je vybaven autonomním navigačním systém se stereokamerami a laserovým detekčním dálkoměrem.

PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ ROVERU

Zobrazovací zařízení

Vpředu je instalována monochromatická stereokamera Kodak se sensory KAI-0378, vzadu barevná kamera Kodak se sensorem KAI-0371 M (obdoba komerční digitální kamery DVC-300), schopná snímat až milimetrové detaily na všech vzorcích, zkoumaných spektrometrem APX.

APXS - Alpha Proton X-Ray Spectrometer (0,74 kg, 0,8 W)

Alfa-protonový a rentgenový spektrometr je umístěn na zadní části podvozku roveru na výklopném mechanismu (20°) a je jeho jediným vědeckým přístrojem. Může určit obsah většiny významných prvků s výjimkou vodíku. Při interakci s prvky s atomovými čísly 9-14 jsou získávána protonová spektra, při interakci s těžšími prvky rentgenová spektra. Úplná analýza trvá 10 hodin.

CÍLOVÁ OBLAST PŘISTÁNÍ

Pro přistání byla vybrána pánev Ares Vallis asi 850 km od Vikingu 1, střed rozptylové elipsy 100x200 km má souřadnice 19,5° s. š., 32,8° z. d. Mimochodem, nachází se v oblasti A-1, kdysi vybrané pro Viking 1, avšak dodatečně vyhodnocené jako nevhodné pro přistání. Primárním důvodem byl požadavek dosáhnout aerografické šiřky do 20°, aby bylo zajištěno dostatečné osvětlení slunečních baterií. V době přistání bylo Slunce nad 15° s. š. Závažným kritériem byla geologická zajímavost: jde o starou oblast s dávným řečištěm, vlévajícím se do Chryse Planitia. Průběžné informace o Ares Vallis získával HST.

VÝVOJ SONDY

Sonda Mars Pathfinder byla dokončena v lednu 1996. V březnu byla přemístěna do simulátoru pro komplexní závěrečnou sérii technických testů.13.8.96 byla z JPL na Floridu převezena sonda Pathfinder a 24.8. ji následoval Sojourner. Během září proběhly autonomní prověrky sondy i roveru, 25.9. byla dokončena instalace airbagu a 5.10. montáž mechanismů lopatek. Dramatické byly dny 12. a 13.10., kdy se musel urychleně vyměnit poškozený detektor rychlosti větru v ASI/MET. 16.10. byla sonda zakryta tepelným štítem a po vyvážení byla 22.10. spojena s přeletovým úsekem. 4.11. byly naplněny hydrazinové nádrže. 21.11. byla sonda spolu se 3. stupněm v kontejneru dopravena na rampu. V 1. den start. okna (2.12.96-3.1.97) přešla přes Floridu studená fronta a start byl odložen na 3.12., avšak v T -100 s byl start znovu o den odložen pro výpadek obou pozemních počítačů řízení 1. stupně.

MEZNÍKY LETU

4.12.96 v 06.58.07 UT perfektní start rakety Delta-2/7925 z rampy LC-17B. V T+5 h vzdálenost 76 352 km od Země a 212,6 mil. km od Marsu (rychlost geocentr. 4,4 km/s, heliocentr. 34,7 km/s)
6.12.- 750 000 km od Země. O 10 % víc energie než se čekalo, akumulátor nabit na 75 %, teplota uvnitř 9°C, rotace 12,3 ot/min. Jedinou závadou je nižší napětí od jednoho slunečního sensoru
11.12.- 2,1 mil. km od Země. Jeden sl. sensor nefunguje a další má nižší napětí (nutný nový software řízení). Změna rotace na 2 ot/min
18.12.- 4 mil. km od Země a 190 mil. km od Marsu
2.1.97- 8 mil. km od Země, korekce TCM-1 odložena z 4.1. na 10.1.
10.1.- 10 mil. km od Země. V 03.40 UT TCM-1 (2 motory 90 min). Změna rychlosti 30,091 m/s (-3,6 % )
19.1.- krátkodobá porucha řízení polohy (sluneční aktivitou?)
4.2.- 19 mil. km od Země. V 01.00 UT TCM-2: zážeh 2 motorů na 5 min (osová změna 1,5 m/s) a 4 motorů na 5 s (boční změna)
7.3.- 37 mil. km od Země. Polovina cesty prostorem (248 mil. km)
11.4.- od Země 72,3 mil. km (rychl.14,63 km/s), od Slunce 201,16 mil. km (rychl. 25,15 km/s) a od Marsu 46,2 mil. km (rychl. 8,63 km/s). Sonda urazila 330,5 mil. km, zbývá 84,2 dní
6.5.- provedena korekce TCM-3 (změna rychlosti o 0,432 m/s)
20.6.- (196. den),168 mil. km od Země a 7 mil. km od Marsu
25.6.- provedena korekce TCM-4 (změna 0,018 m/s)
27. 6.- zaznamenal HST mohutnou písečnou bouři v oblasti Valles Marineris, která však neovlivňuje místo přistání Pathfinderu.
4.7.- cesta dlouhá 497,4 mil. km a trvající 212 d 10 h 58 min 43 s končí na Marsu ve vzdál. 191,55 mil. km od Země. Radiový signál tuto propast překoná za 10 min. 39 s.

PRŮBĚH PŘISTÁNÍ

Přistání se uskutečnilo 4. 7. přímo z příletové dráhy přesně podle plánu (pravděpodobnost, že sonda dopadne na povrch rychlostí nad 300 m/s byla jen 1:10 000). Asi 9000 km od planety se v 16.22 UT (L-34 min) při rychlosti 6100 m/s oddělil meziplanetární úsek.

Sestupový manévr začal v 16.51.49 UT vstupem do atmosféry pod úhlem 14,2° ve výšce 125 km (L-4 min) při rychlosti 7500 m/s. V průběhu sestupu se měření zapisovala do palubní paměti. Před nadměrným ohřevem sondu ochraňoval tepelný aerodynamický štít, odvozený z Vikingu. K max. přetížení asi 25g došlo ve výšce 30 km. Během 128 s se rychlost sestupu snížila na 400 m/s; při níž se ve výšce 11 až 6 km na povel akcelerometru rozevřel padák o průměru 12,7 m. 20 s poté se oddělil aerodynamický štít. V L-80 s (16.54 UT) se ve výšce 7-4 km při rychlosti 95-65 m/s oddělil přistávací modul, který zůstal viset na závěsu dlouhém asi 30 metrů. V atmosféře 100x řidší než u Země padák zpomaluje rychlost na 75-60 m/s (ekvivalentní závodnímu autu) ve výšce 1,5 km nad povrchem. V pozemských podmínkách by na tento úkol stačil padák o průměru 2 m. Kdybychom u Marsu chtěli sondu jen padákem zbrzdit "na měkko" (cca 10 m/s), musel by mít plochu 42x větší, tj průměr 80 m. V takovém případě by ale jeho hmotnost nebyla 10 kg, nýbrž 420 kg. Proto byl zvolen složitější postup.

V L-8 s se ve výšce 250 m nafoukl během sekundy airbag, tvořený 6 kulovými polštáři z Vectranu o průměru 0,9 m. Ve výšce 98 m nad povrchem se při rychlosti 61,5 m/s zažehly tři brzdicí motory Thiokol Star-5 na TPH (hoření 2,4 s, impuls po 9,6 kNs), které sondu "zastavily" tak, aby dál už jen volně padala. Po oddělení padáku se v L-4 s asi 21 km nad povrchem přerušil závěs sondy, která (obklopená airbagem) dopadla v L=0 s (16.58.50 UT) na povrch rychlostí 18 m/s (12,5 m/s vertik. i horizontálně). Signál o dopadu byl na Zemi přijat v 17.07 UT. Jako plážový míč sonda po povrchu l6krát poskočila (až do výšky 15 m), než se zastavila. Kutálela se ještě asi 2,5 minuty a urazila při tom asi 1 km. Po zastavení (počítalo se nejpozději po 10 min) se airbagy začaly vypouštět a do hodiny se měly vyprázdnit.

V místě přistání (19,33° s. š., 33,55° z. d.) byly 3.02.21 ráno místního času. V L+84 min začalo rozevírání panelů, trvající cca hodinu. V 5.45 místního času (19.45 UT) vyšlo Slunce. V té době byl automaticky zapojen vysílač. Třičtvrtě hodiny před půlnocí začal první obrazový přenos z Marsu na Zemi. 5. 7. kolem 01.00 UT se měly vysunout obě rampy a ve 3.58 UT měl Sojourner sjet na povrch. V 18.45 UT (18.20 místního času) začalo Slunce zapadat - avšak Sojourner v té době stále ještě nebyl na povrchu, protože airbag se pod jeho plošinou nedokonale vyprázdnil a ta zůstávala příliš vysoko. K sestupu došlo až 6. 7. kolem 05.40 UT. V té době byl už přistávací modul přejmenován na "Carl Sagan Memorial Station".

Pathfinder měl fungovat nejméně 30 solů, avšak předpokládá se, že by mohl vydržet až do září 1998. S hlavní aktivitou se počítá pouze za plného denního světla, avšak po západu Země (kolem 16 h) se uskutečňují jen meteorologická měře- ní. V nočním režimu má sonda minimální spotřebu. Přenos dat na Zemi je plánován dvakrát za sol (9-11 h a 12-14 h). Dopoledne se rovněž uskutečňuje rychlostí 250 bit/s přenos povelů ze Země.

Sojourner má být v provozu každý sol od 7.30 do 16.30, avšak pohybovat se má jen od 10 do 14 h. Po každé jízdě jsou informace přenášeny do hlavního počítače Pathfinderu. Měl pracovat nejméně 7 solů, během nichž by se neměl vzdálit víc néž 10 m, avšak po 30 solech byl stále ve výborném stavu a akumulátor byl vyčerpaný jen zpola.

Sagan Memorial Station zůstává 20. srpna stále v plném provozu bez větších komplikací (za dobu "primární mise" byly bez dat jen soly 9,10 a 15). Denně je přijímáno průměrně 60 Mbitů - za prvních 30 solů 1,2 Gbitů údajů a 9669 zobrazení povrchu. Na počátku "rozšířené mise" byl Mars 222 mil. km od Země (signál letěl 12 minut 21 sekund).

Meteorologická hlášení potvrzují údaje Vikingu 1 - Pathfinder měří ve výšce max. 1 m (o 0,6 m níže než Viking) a jeho údaje jsou zhruba o 10°C vyšší. Maximální teploty jsou odpoledne (-12°C, zatím rekordní -2°C), minimální před východem Slunce (-73 až -79°C).

Tlak je o 10-20 % nižší než změřily Vikingy (675 Pa). Atmosférické proudění je obdobné: večer a brzy ráno převládá vítr od jihojihovýchodu, směr se odpoledne mění na severní až severovýchodní. Během dne vane nepatrný vánek, v noci vzrůstá rychlost jižního větru na max. 30 km/h.

Dohlednost je kolem 30 km, obloha zbarvená lososově růžově, asi 35 % slunečního světla je pohlceno nebo absorbováno prachem. Snímky ukazují mj. jasná oblaka ledových krystalků.

Pathfinder pořídil několik nádherných panoramatických pohledů na okolí - větší kameny a místa na obzoru si odborníci "pokřtili". Snímky ukazují, že některé kameny byly kdysi erodovány působením tekoucí vody. Neobyčejně významné jsou údaje o chemickém a mineralogickém složení, prach je velmi jemný (pod 50 mikrometrů).

Rovněž Sojourner byl 20. srpna v plném provozu. Za 30 solů najezdil přes 50 m (skvělá práce řidiče Briana Coopera!) a předal 384 záběrů povrchu s kameny a sondou, typických "nízkým" pohledem.

Připraveno podle článku Ing.M.Grűna v L+K 17/97

Počátkem října 1997 však začalo docházet ke ztrátám spojení se sondou. Po 06.10.1997 nebyl již další kontakt navázán a 04.11.1997 bylo oznámeno, že pokus navázat spojení se sondou Mars Pathfinder skončily. Odborníci z JPL v Pasadeně se domnívají, že postupným ochlazováním okolí došlo ke zvýšenému vyčerpávání baterií a tak i k vysazení palubních hodin. Proto sonda nevěděla, kdy čekat příkazy ze Země.

V úterý 10.03.1998 byl učiněn poslední pokus o navázání spojení. Pomocí antény o průměru 34 metrů soustavy Deep Space Network v Kalifornii, byl vyslán příkaz k zapnutí vysílače. Po hodině marného očekávání bylo sondě sérii povelů nařízeno, aby přepnula na záložní vysílač. I tak následující čtyři hodiny nepřišel jakýkoli náznak toho, že by ještě pracovala. Proto byla 10.03.1998 ve 21:21 UT oficiálně prohlášena za "mrtvou".

Velmi úspěšná mise sondy Mars Pathfinder tedy již definitivně skončila.

KONEČNÉ VÝSLEDKY MISE

O práci modulu i vozítka byla veřejnost pravidelně a podrobně informována zejména prostřednictvím internetu - příslušné servery zaznamenaly během pouhého měsíce na 565 milionů dotazů s maximem 47 milionů dotazů dne 8.července.

Sojourner ujel celkem 62 m rychlostí 10 mm/min a poskytl 550 snímků hornin a údaje o mineralogickém složení několika balvanů v okolí místa přistání sondy.

Horniny vykazovaly vysoký podíl silikátů; geologicky šlo převážně o vyvřelé andezity, takže matečné magma bylo zřejmě bohaté na vodu (na Zemi patří k takovým sopkám Fudžijama a St. Helens).

Ačkoliv životnost vozítka byla plánována na týden, ve skutečnosti Sojourner pracoval bezmála 3 měsíce a během té doby přenesl na Zemi na 1 Gb údajů. Samotná sonda Pathfinder s plánovanou životností jeden měsíc nakonec fungovala až do 27. září a předala na Zemi celkem 2,6 Gb údajů, zejména pak 16 tisíc snímků a dále zejména meteorologické údaje o tlaku, teplotě, větru, barvě oblohy a dohlednosti.

Sonda prokázala, že současný Mars je o 10 K teplejší a oblačnější, než byl během provozu Vikingů před 20 lety. Pro přenos energie a atmosférickou cirkulaci má velký význam pohlcování slunečního záření ve zvířeném prachu. To vyvolává i značnou turbulenci atmosféry po ránu a přispívá k výskytu atmosférických vírů - tančících dervišů. Horniny jsou obroušeny větrem a zvířeným pískem a kameny zaobleny dávno tekoucí vodou. Nejvyšší naměřená teplota činila -2°C, nejnižší noční -79°C, průměrný tlak 675 Pa (150krát nižší než na Zemi), nejvyšší rychlost větru 30 km/h a dohlednost 30 km. Teplota rychle kolísala až o 20°C během několika minut a klesala dramaticky s výškou nad terénem - o 40°C při změně výšky o 1,5 m. Hlavními složkami Marsovy atmosféry jsou CO₂ (95%), N₂ (2,7%) a Ar (1,6%). Vodní pára v atmosféře namrzá na zvířený prach ve výšce 16 km nad terénem. Obloha má růžový nádech a soumrak v oblasti Saganova památníku trvá plné 2 h. Panoramatický snímek zahrnul 83% okolí místa přistání a prokázal, že sonda přistála ve vyschlém říčním korytu, pokrytém kameny, splavenými při dávných katastrofálních záplavách.

Další podrobnosti a pravidelné zprávy o průběhu letu si můžete přečíst česky na AmberZinu v sekci Mars Pathfinder.
Perfektní je kompletní slovenský mirror oficiálního serveru MPF (slovensky !).

Aktualizováno : 09.07.2002

[ Obsah | Nepilotované kosmické lety | Program Mars (USA) | Program Mars (Rusko) ]

Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.

(originál je na https://mek.kosmo.cz/sondy/usa/mars/mpf.htm)