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

Start	M.označ.	Hmotnost	Popis
04.08.2007	2007-034A	670 kg	- sonda pro povrchový průzkum polární oblasti Marsu

Úkolem americké sondy Phoenix byl povrchový průzkum polární oblasti Marsu. Šlo o nepojízdnou sondu s mechanickým ramenem pro odběr vzorků z bezprostředního okolí sondy. Start se uskutečnil 04.08.2007 a k motorickému přistání na Marsu došlo v noci z 25. na 26.05.2008. Snímkování okolí i rozbor vzorků půdy probíhalo až do října 2008. Dne 31.7.2008 bylo oznámeno, že ve vzorcích byla potvrzena přítomnost vody. Aktivní životnost byla očekávána cca po dobu 90 solů (dní na Marsu), tedy jedno letní období na severní polokouli Marsu, ale Phoenix nakonec vydržel až do 2.11.2008, kdy se naposledy ozval rádiem k Zemi. Dne 10.11.2008 byla mise oficiálně prohlášena za ukončenou.

Sonda měla tři hlavní vědecké cíle:

studium historie vody na Marsu (jako klíčové otázky k porozumění změnám klimatu v minulosti)
určit, zda by v polárních oblastech Marsu mohl existovat život (na rozhraní ledu a pevné půdy)
studium počasí na Marsu z polární perspektivy (působení polárních oblastí na celkové počasí na Marsu a jeho změny)

Popis sondy

Phoenix je modifikovaný přistávací modul, postavený původně jako Mars Surveyor 2001 Lander (který byl zrušen kvůli ztroskotání sondy Mars Polar Lander v roce 1999).

Základem výsadkového modulu je osmistěnná konstrukce spočívající na třech přistávacích nohách. Celková výška až po vrcholek meteorologické tyče obnáší 2.2 m, přičemž se tato míra může mírně změnit podle zkrácení noh absorbujících energii po dopadu. Na bocích jsou proti sobě připojeny dva přibližně kruhové panely solárních baterií o rozpětí 5.52 m. Průměr paluby činí 1.5 m a délka robotické ruky dosahuje 2.35 m.

V přeletové konfiguraci je sonda doplněna ještě tepelným štítem, zadním aerodynamickým krytem a přeletovým modulem zajišťujícím spojení ze Zemí, letové operace a navedení na přistávací trajektorii před příletem k Marsu.

Celková hmotnost sondy při startu obnáší 670 kg, vlastní přistávací modul představuje 350 kg. Vědecké přístroje, k nimž se počítá i robotická ruka, mají hmotnost 55 kg.

Phoenix je vybaven 20 raketovými motorky, jejichž úkolem je provádět opravy trajektorie během přeletu mezi planetami, udržovat správnou orientaci v prostoru a zajistit konečné dobrždění před dosednutím na povrch Marsu. Všechny motorky používají jako jednosložkovou pohonnou látku hydrazin. Hydrazin je sloučenina dusíku a vodíku, která se explozivně rozkládá po dotyku s katalyzátorem v raketovém motoru. 12 motorů je instalováno pod spodní částí přistávacího aparátu a jejich úkolem je snížit během poslední půlminuty letu před dosednutím rychlost klesajícího modulu na bezpečnou hodnotu. Mohou pracovat přerušovaně tak, aby se rychlost mohla jemně doladit a zároveň se udržovala stabilita přistávající sondy. Každý z uvedených motorků má tah 293 N. Zbylých 8 motorků je používáno v průběhu přeletové fáze, v době, kdy je vlastní sonda uzavřena v ochranném pouzdru. Jsou namontovány rovněž na tělese přistávacího modulu, ale jejich trysky prostupují výřezy v horním aerodynamickém krytu. Čtyři motorky o tahu 15.6 N jsou primárně určeny k šesti plánovaným dráhovým korekcím. Další čtyři s tahem pouhých 4.4 N slouží k udržování orientace a k otočení sondy před vstupem do atmosféry Marsu.

Hlavním zdrojem energie modulu na povrchu Marsu jsou dvě křídla solárních článků. Mají tvar desetiúhelníku a vyčnívají na opačných stranách z nosné kostry modulu. Funkční plocha článků obnáší 4.2 m² a spočívá na pružné vylehčené konstrukci. Fotovoltaické články dobíjejí dva Li-ion akumulátory s kapacitou 25 Ah. Přeletový modul je vybaven svými vlastními solárními bateriemi, protože hlavní panely jsou až do přistání složeny pod krytem sondy.

Phoenix může komunikovat v pásmu UHF (300 až 1000 MHz) přes retranslační družice Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter a případně Mars Express. Šroubová anténa UHF je namontována na horní palubě. Vysílač je schopen předávat data rychlostí 8000, 32000 nebo 128000 bit/s. Dvě nižší rychlosti jsou určeny rovněž pro příjem signálu v opačném směru.

Během cesty k Marsu používá Phoenix zcela jinou rádiovou soupravu. Spojení je udržováno přímo se Zemí v pásmu X (8 až 12 GHz). Na přeletovém modulu je instalována anténa se středním ziskem a provádí se přes ni komunikace v obou směrech. Dále je přeletová část pro nouzové situace vybavena dvojicí nízkoziskových antén. Redundantně jsou navrženy transpondéry a zesilovače. V pásmu X se komunikace odehrává rychlostí 2100 bit/s ve směru sonda-Země, resp. 2000 bit/s ve směru opačném.

Vědecké vybavení přistávacího aparátu představují následující zařízení:

Robotická ruka RA [=Robotic Arm] o délce 2.35 m je určena k odběru vzorků povrchového materiálu na místě přistání a jeho dopravu k analýzám v dalších přístrojích;
Kamera na robotické ruce RAC [=Robotic Arm Camera] s rozlišením až 23 µm/pixel upevněná na konci manipulátoru poskytuje detailní snímky povrchu;
Stereoskopická kamera SSI [=Surface Stereo Imager] se zásobníkem 12 barevných filtrů se nachází asi 2 m nad povrchem Marsu a může pořizovat stereoskopické snímky s podobným rozlišením jako lidské oko;
Hmotový spektrometr plynů uvolněných ze zahřívaných vzorků TEGA [=Thermal and Evolved-Gas Analyzer] zpracovává materiál dodaný robotickou rukou, zahřívá jej a teplem uvolněné plyny jsou analyzovány v hmotovém spektrometru. Přístroj je schopen rozlišit vodu a oxid uhličitý v rozpuštěném ledu, další chemické látky a dokonce i organické sloučeniny;
Soubor přístrojů na rozbor půdy MECA [=Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer] obsahuje mokrou laboratoř, v níž je k odebranému materiálu přidávána voda a roztok je následně podroben analýze, dva typy mikroskopů zkoumajících strukturu materiálu a přístroj na měření elektrických vlastností půdy;
Meteorologická stanice MET [=Meteorological Station] je určena k pravidelnému měření tlaku, teploty, směru a rychlosti větru a obsahu prachu v atmosféře pomocí laserového zařízení (lidaru);
Sestupová kamera MARDI [=Mars Descent Imager] je instalována na spodní straně přistávacího aparátu a měla pořídit záběry krajiny těsně před dosednutím na povrch, ovšem kvůli zjištěným možným interferencím s jinými přístroji landeru nakonec kamera MARDI nebyla zapnuta a žádné snímky nepořídila.

Průběh mise

Hotová sonda byla dopravena na kosmodrom Cape Canaveral na Floridě dne 08.05.2007. Po nezbytných testech byl Phoenix v červenci 2007 namontován na nosnou raketu Delta 2 (ve variantě 7925).

Start se uskutečnil z rampy 17A v sobotu 04.08.2007 v 11:26:34 SELČ.

Phoenix letěl po tzv. dráze II. typu, po níž vykonal oblouk o něco delší než 180 stupňů kolem Slunce – let byl sice o něco delší, avšak taková dráha umožnila dosáhnout plánovaného místa přistání v severní polární oblasti přímo z přeletové dráhy. Startovní okno bylo k dispozici od 3. do 24. srpna 2007. Každý den byly dvě krátce po sobě následující příležitosti ke startu.

Po 84 minutách od startu byla sonda navedena na meziplanetární dráhu a oddělila se od posledního stupně. Následovalo téměř deset měsíců přeletu k Marsu, během nichž sonda urazila dráhu kolem 680 milionů kilometrů. Protože se podařilo vzlétnout v prvních dvou týdnech startovního okna, sonda přistála 25.05.2008 ve 23:38 UT (kdyby sonda vzlétla až v posledním týdnu startovního okna, tak by k přistání došlo 05.06.2008).

Technika přistání byla odlišná, než např. u obou vozítek MER, které využívaly airbagy a byla obdobná přistání prvních Vikingů v roce 1976. Phoenix se po několika plánovaných korekcích dráhy k planetě přiblížil rychlostí 5,7 km/s, kterou vstoupil do řídké atmosféry ve výšce 125 km. První snížení rychlosti obstaral aerodynamický štít. Maximální přetížení bylo kolem 9 G. Při rychlosti 1,7x vyšší než je rychlost zvuku přišel ve výšce asi 12,6 km na řadu padák o průměru asi 9 metrů, který snížil rychlost na podzvukovou. V této fázi se rozložily tři přistávací vzpěry a zapojil se přistávací radar. Ve výšce kolem 0,9 kilometru při rychlosti asi 55 m/s bylo půl minuty před dosednutím naplno zapojeno 12 hydrazinových motorků o tahu po 293 N, aby upravily vertikální rychlost z 200 km/h na nejvýše 8,6 km/h (2,4 m/s) ve výšce asi 12 metrů; vypojeny byly až při dosednutí. To vše bylo úspěšně zvládnuto během šesti a půl minuty.

Phoenix přistál na severní polokouli Marsu, kde 09.12.2007 našeho kalendáře začalo jaro, takže v době přistání (25.05.2008) se jaro chýlilo ke konci. V okolí sondy se měla teplota pohybovat v rozmezí od –73 °C do –33 °C. Na severní polokouli začne letní období 25.06.2008, kdy nastane slunovrat. Protože výzkum potrvá nejméně do poloviny místního léta, budou teploty pozvolna vyšší, ale nepřesáhnou –10°C.

Místo přistání leží v arktické krajině Vastitas Borealis v místě se souřadnicemi 68,22° s.š., 234,30° v.d..

Po přistání se počkalo asi půl hodiny, až se usadí prach a pak sonda „oživla“. Nejprve byly vyklopeny panely slunečních baterií a vysunuta tyč se stereoskopickou kamerou. Následovala aktivizace mechanického manipulátoru RA. Během tří marsovských dnů (tzv. solů, které jsou o 2,7% delší než na Zemi) byla zprovozněna všechna zařízení a přístroje.

Úkolem prvního dne na Marsu byly zkoušky některých přístrojů a systémů a fotografování okolní krajiny. Snímky ukázaly vzhled polárního regionu rudé planety. Krajina to je velice plochá a fádní, na níž chybí jakékoliv krajinné dominanty. Na detailnějších záběrech bylo vidět terén uspořádaných do jakýchsi nepravidelných desek tvaru mnohoúhelníku. Pozorováno bylo i několik čerstvých prasklin. To bylo interpretováno jako projev opakovaného tání a mrznutí ledu nacházejícího se pod povrchem.

Také družice MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) úspěšně splnila pokyny ze Země a kamerou HiRISE dokázala zachytit Phoenix klesající pod kupolí padáku ještě nad povrchem planety. Poprvé se podařilo zachytit pozemskou sondu během přistávací operace na jiné planetě. Kamera HiRISE směřuje normálně přímo dolů pod sebe. Pro účely tohoto snímku se musela naklonit o 62°. Protože to sama nedokáže, musel být natočen celý orbiter. Po dosednutí Phoenixu pak MRO vyfotografovala přistávací modul na povrch Marsu. Kromě hlavního tělesa byly nedaleko identifikován i tepelný štít a padák s připojeným zadním víkem ochranné schránky landeru.

Hlavní atrakcí 2. solu (2008-05-27) pobytu Marsu měl být pokus o první pohyby robotické ruky. Příslušné pokyny byly odvysílány směrem k družici MRO, která je měla předat dolů na Mars. Sonda MRO ale sekvenci nepředala a tudíž byly operace s rukou a další činnosti odloženy o jeden den. Na Zemi dorazila první data z meteorologické stanice. Meteorologickou stanici dodala Kanadská kosmická agentura CSA a byla aktivována v prvních hodinách po přistání. Od té doby nepřetržitě zaznamenávala povětrnostní data. Podle informací z prvních 18 hodin se teplota na Marsu pohybovala mezi minimem -80°C časně ráno do maxima -30°C odpoledne. Průměrný tlak byl 8.55 mbar, což je méně než setina normálního tlaku na Zemi. Rychlost severovýchodního větru činila 20 km/h. Obloha byla jasná.

V následujících dnech Phoenix dokončil fotografování kompletního panoramatu okolí.

Aktivaci robotické ruky se podařilo provést ještě v průběhu prvního týdne činnosti sondy na povrchu Marsu. Pomocí kamery na konci manipulátoru RA mohl Phoenix vyfotografovat i prostor přímo pod landerem, kde přistávací motory odfoukly tenkou vrstvu prachové půdy. Na snímku se objevil pevný světlejší materiál. Pravděpodobně by to mohl být led. To ale bude upřesněno až v průběhu dalšího výzkumu.

V pondělí 02.06.2008 sonda odebrala první zkušební vzorek půdy z místa nazvaného "Knave of Hearts". Vzorek byl určen především k otestování správné funkce lopatky na konci robotické ruky, takže po vyfotografování kamerou RAC byl vzorek vysypán zpět na povrch Marsu. Na barevné fotografii vzorku v lopatce byl vidět i světlejší materiál o kterém vědci spekulovali, že by to mohl být led nebo sůl. To ale bude zjistitelné až u dalších vzorků půdy, které už by měly být dopraveny do analyzátoru TEGA (Thermal and Evolved-Gas Analyzer). Ještě předtím se ale vědci rozhodli opakovat test s vyklopením vzorku půdy zpět na povrch Marsu, protože jednak se ukázalo, že první vzorek se nevysypal úplně (v lopatce zbyla část půdy) a jednak se nepodařilo plně otevřít dvířka první komory analyzátoru TEGA, takže bylo třeba se připravit na přesné vyklopení vzorku a k tomu bylo třeba zjistit, jak přesně se půda při vysypávání chová. Druhý testovací vzorek byl odebrán a vyklopen zpět na Mars ve středu 04.06.2008. Pak už vědci chystali odebrání první ostrého vzorku k analýze v TEGA.

Vzorek k analýze byl odebrán 06.06.2008 z bezprostřední blízkosti testovacích vzorků a následně byl vysypán do pootevřených dvířek komory č. 4 analyzátoru TEGA. Senzory TEGA ale nepotvrdily, že by nějaká část vzorku skutečně propadla dovnitř skrz horní mřížku analyzátoru. Mřížka měla za úkol propustit jen částice menší než cca 1 mm aby se neucpal vstupní otvor do pícky ke zpracování vzorku. Odebraný materiál byl ale soudržnější než se čekalo, takže mřížkou neprošlo nic. Ani několikaminutová činnost vibrátoru, který byl v TEGA umístěn, nedokázala do pícky setřepat žádný materiál. Vědci si proto v dalších dnech upřesňovali vlastnosti okolní půdy na Marsu (odběrem dalšího testovacího vzorku a jeho fotografováním) a hledali nejvhodnější další postup pro řešení problému s dopravou vzorku do TEGA.

Po dalších 20 minutách vibrací (08.06.2008) propadlo ochrannou mřížkou jen velmi málo zrnek půdy (méně než 1 mg), které nestačily na naplnění pícky ve spodní části TEGA. Plný vzorek pro anylýzu by měl mít alespoň 20 - 30 mg. Soudržnost materiálu je podle vědců způsobena obsahem solí, vlhkostí, tvarem částic a statickou elektřinou v půdním vzorku.

Budou následovat další pokusy s vibracemi v různých částech dne, tzn. za různých teplot okolí a pokud se i toto ukáže jako marné, bude první TEGA komora se vzorkem prozatím opuštěna a přejde se k dalším vzorkům.

Brzy bylo rozhodnuto použít jinou metodu dodávky materiálu do vědeckých přístrojů, kdy lopatka na konci robotického ramene přinesla vzorek nad cílové místo, naklopila se jen mírně, (nevysypala tedy celý obsah jako v prvním případě) a pomocí vibrací "motorizované škrabky" na spodní straně lopatky se odsypalo jen velmi malé množství vzorku. Tato technika byla vyzkoušena 09.06.2008 posypáním vybrané části povrchu landeru mimo přístroj TEGA.

Ještě než mohl být nový způsob sypání vzorků půdy Marsu vyzkoušen naostro, zareagoval náhle původní vzorek nad komorou č. 4 na otřesy z vnitřního vibrátoru a vzorek se 10.06.2008 prosypal do komory v TEGA tak, že ji zcela naplnil (což bylo cílem). Mohla tak být zahájena ostrá analýza vzorku.

Následující den, ve středu 11.06.2008 byl opatrným sypáním dopraven další vzorek půdy i k mikroskopu analyzátoru MECA (Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer). Obrázky odeslané optickým mikroskopem později zobrazily přibližně 1000 částic, se zastoupením nejméně čtyř různých minerálů. Vzorek obsahoval větší černé sklovité částice (vulkanické sklo) a menší narudlá zrnka prachu (zvětralé částice s vysokým obsahem železa).

Dne 12.06.2008 bylo dokončeno snímkování pro barevné panorama celého okolí přistávacího modulu sondy. Pokračovalo také hloubení výkopu v místě "Dodo" a "Goldilocks" ke zjištění hloubky tvrdého podpovrchového materiálu. Na konci solu dosáhl spojený výkop šířku 20 cm a hloubku 5 až 6 cm. Barevné snímky ukázaly jasně bílý materiál na dně výkopu.

13.06.2008 pokračoval ohřev prvního vzorku ve 4. komoře TEGA. Výkop "Dodo-Goldilocks" dosáhl šířky 22 cm, délky 35 cm a hloubky 7-8 cm. Výskyt bílého materiálu byl pouze v horní části výkopu. Vědci se domnívali, že velmi pravděpodobně byl odkryt okraj jedné ledové desky, vytvářející v oblasti přistání sondy typické mnohoúhelníkové útvary na povrchu planety.

Po ohřátí prvního vzorku v TEGA na 35 °C nebyly zaznamenány žádné molekuly vodní páry. Pro výzkumný tým to nebylo velkým překvapením, jelikož se jednalo o část svrchní vrstvy půdy a navíc případné malé množství vodního ledu by za několik dní prodlení na ochranné mřížce 4. komory stačilo na slunci vysublimovat do atmosféry. Po ohřevu na 175 °C bylo zjištěno jisté množství CO2, uvolněného ze zvětralých zrn půdy.

Dne 16.06.2008 začal Phoenix začal kopat v místě zvaném "Wonderland" (Říše divů), která je součástí větší oblasti "National park" (Národní park).

17.06.2008 (Sol 23) sonda vygenerovala neobvykle velký objem dat o svém vlastním stavu, které zcela zaplnily flash paměť počítače, takže došlo ke ztrátě některých nedůležitých vědeckých dat, která nemohla být do pamětí uložena. Během několika následujících dní programátoři obslužného software sondy odhalili a odstranili příčinu problémů.

Opakovaný snímek výkopu "Dodo-Goldilocks" v rozmezí čtyř dnů (mezi 14.06. a 18.06.2008) ukázal, že odkrytý tvrdý materiál během několika dnů na Slunci částečně vysublimoval do atmosféry a potvrdil tak "ledovou" variantu svého původu. Případné soli obsažené v půdě by tímto způsobem nemohly změnit svůj vzhled.

V dalších dnech byl povrchový vzorek půdy dopraven také do tzv. mokré chemické laboratoře WCL (Wet Chemistry Laboratory) mikroskopického a elektrochemického analyzátoru MECA. Analyzovaný vzorek půdy byl posléze přirovnán k suchým horním vrstvám údolí Antarktidy. Vysoká zásaditost s pH 8-9 a obsah solí hořčíku, sodíku, draslíku a chloru (Mg, Na, K a Cl) ještě více potvrdily přítomnost vody. Bylo objeveno značné množství chemikálií nutných pro život jak ho známe na Zemi.
Také další výsledky z analyzátoru TEGA ukazovaly na to, že půda byla zřejmě v minulosti v interakci s vodou.

Dne 26.06.2008 bylo zahájeno odebírání vzorků ze zledovatělé půdy v oblasti "Wonderland". Postupně naškrábaný materiál byl sice vyhodnocen jako vhodný pro rozbor v TEGA, ale protože se technici obávali možnosti zkratu v analyzátoru a další rozbor už mohl být poslední, bylo nakonec rozhodnuto připravený vzorek nepoužít a pro rozbor nabrat nový vzorek, obsahující "čerstvý" led (aby led nevysublimoval, bylo třeba vzorek dopravit do analyzátoru do 30 minut po odebrání). V následujících týdnech probíhalo důkladné testování jednotlivých přístrojů a způsobů odběru vzorků a byla také použita další zařízení, jako např. půdní sonda.

Po měsíci příprav a po dvou neúspěšných pokusech se nakonec dne 30.7.2008 podařilo do analyzátoru TEGA dostat vzorek s obsahem ledu a hned první rozbor potvrdil, že obsahuje vodu. Přítomnost vody na Marsu tak byla jednoznačně prokázána!

31.7.2008 bylo zveřejněno kompletní barevné panorama okolí sondy Phoenix.

V dalších týdnech pokračoval další průzkum okolí sondy i sbírání a rozbor vzorků půdy.

Aktivní výzkum přístroji sondy Phoenix trval cca 150 solů (do konce října 2008). Na rozdíl od vozítek Spirit a Opportunity nebylo možno předpokládat, že by sonda pracovala déle. Byla odkázána na sluneční energii a s klesající polední výškou Slunce nad horizontem nastal neodvratný konec mise. Phoenix se 2.11.2008 naposledy ozval rádiem k Zemi. Dne 10.11.2008 byla mise oficiálně prohlášena za ukončenou.

Připraveno podle spaceprobes A.Havlíčka, podle SPACE-40 A.Vítka, podle článku M.Grüna na iDNES a podle serveru www.astro.cz .

Aktualizováno : 10.11.2018

[ 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/phoenix/index.htm)