Лонгрид: Марсоходы, которые изменили всё. Итоги миссии Spirit и Opportunity

На поверхности Марса в небольшой ложбине Персевиренс покоится марсоход Opportunity. Где-то на противоположной стороне планеты, в 11000 километров, навеки застрял в сыпучем грунте его «брат», ровер Spirit. Сегодня мы расскажем об этих двух произведениях инженерного искусства всё, что может быть вам интересно.

Для начала немного истории. Исследованием Красной планеты NASA занималось в рамках одноименной программы Mars Exploration Program: именно её частью были предыдущие успешные посетители Марса, два аппарата Viking и Mars Pathfinder. По ним, кстати, отлично видна эволюция аппаратов: от посадочных платформ “викингов”, через лёгкий марсоход Соджорнер, который в составе миссии Pathfinder, вот к этим полноценным красавцам-марсоходам.

Задача, стоявшая перед роверами, тоже усложнилась.

Если вы зайдёте на сайт MEP сегодня, увидите четыре основные научные цели. Поиск жизни, изучение геологии, изучение климата и пилотируемые исследования. И если о последней говорить рано до сих пор, то вот первыми тремя как раз и должны были заняться аппараты Spirit и Opportunity.

Сама по себе программа Mars Exploration была изначально хорошо продумана: каждый новый этап опирался на успехи предыдущего и учитывал его ошибки. При этом миссии должны были становиться сложнее, инструменты — покрывать большую часть задач. Если продолжить эту линию планирования до сегодня, то мы упрёмся в небольшой марсианский вертолёт Ingenuity, который будет запущен в год выхода этого ролика вместе с марсоходом Персевиренс.

Главное новшество роверов-близнецов было именно в их мобильности. Возможность перемещаться по далёкой планете, собирать и сравнивать образцы в разных геологических областях — то, за что вас расцелует или как минимум обнимет любой земной учёный.

Кроме того после отмены более дорогой миссии ровера Athena NASA хотело перейти к разработке дешёвых и простых аппаратов. Альтернативный проект предполагал запуск орбитального зонда, но его быстро отбросили и остановились на марсоходах.

Аппараты были основаны на конструкции Афины. Марсоходы решили разместить внутри корпуса, аналогичного тому, который был использован в миссии Mars Pathfinder 1997 года. Вся система тоже должна была амортизироваться при посадке подушками безопасности. Однако, в отличие от миссии 1997 года, корпус с тремя лепестками служил лишь средством доставки роверов на поверхность и не нёс функций научной или вспомогательной станции. Запланированный срок работы аппаратов был 90 марсианских сол, то есть около 92-х земных суток.

На создание и запуск аппаратов NASA выделило около полутора лет. В 2001-м году инженеры приступили к работе.

Итак, давайте поговорим о конструкции марсоходов и их полезной нагрузке. Как я уже сказал, базовой платформой для MER-1 и MER-2 стала Афина: шестиколёсный аппарат с солнечными панелями и роботизированным манипулятором.

Масса роверов по сравнению с предшественником, крошкой Соджорнером, возросла в семь раз и достигла почти 180-ти килограмм. Аппараты могли развивать скорость до трёх метров в минуту и перемещаться по каменистой местности благодаря особой конструкции колёс.

Поговорим немного об инструментах.

На отдельной мачте располагалась стереокамера PanCam: она состояла из двух глаз - отдельных камер, и обеспечивала обзор в 360 градусов. Разрешение каждой из камер — 1024х1024 пикселя, матрица была способна получать только чёрно-белые снимки. Однако имелось стандартное для сегодняшних миссий колесо с восемью цветными фильтрами. Именно объединение пропущенного через фильтры света позволяло учёным создавать полноценные цветные фотографии и панорамы.

Помимо цветовых фильтров имелись и особенные: например, левый “глаз” специализировался на наблюдениях в видимом свете, в то время как правый больше работал в инфракрасном диапазоне. У левого была возможность получать изображения вообще без фильтров. А ещё обе камеры имели специальную шторку: она использовалась для прямых наблюдений Солнца. Расположенные на выдвинутой мачте, камеры находились на высоте в 130 сантиметров от поверхности планеты.

Для навигации использовались 6 отдельных камер, которые тоже располагались стереопарами: это позволяло получать более объёмное изображение и заранее отмечать опасные для марсоходов участки. Поле зрения камер равнялось 120-ти градусам, то есть суммарно три пары давали полный обзор в 360 градусов. А ещё два “навигационных” глаза с узким фронтальным обзором всего в 45 градусов находились на мачте под панорамными камерами. Последняя, девятая камера, использовалась для научных исследований, о ней мы поговорим позже.

Для калибровки снимков инженеры установили на марсоходе специальную пластину. На ней находились полосы различных оттенков серого, а также четыре дополнительных цвета. Всё это — металл различной отражательной способности. Зная реальные цвета этих элементов, учёные при обработке снимков могли калибровать цвета и понимать, как человеческий глаз воспринимал бы окружение в атмосфере марса.

Отдельная башенка по центру работала как солнечные часы: давала точное направление теней и показывала, как, в зависимости от тени, менялись оттенки серого цвета. На табличке на 17-ти языках было нанесено слово Марс. А в зеркальных полосках по краям должно было отражаться марсианское небо.

Представляя в уме геолога, вы наверняка подумаете о молоточке в его руках. Обязательный инструмент, который позволяет заглянуть под поверхностные слои камней и пород. Однако на марсоходе полноценный молоток установить не удастся, поэтому инженеры придумали RAT. Rock Abrasion Tool или шлифовочный инструмент.

Он состоял из двух вращающихся дробилок с алмазными наконечниками и был способен создавать отверстия 45-ти мм в диаметре и 5-ти мм в глубину. Если порода жесткая, вроде вулканического базальта, сверление занимало до двух часов. На более мягких породах иногда хватало и одного часа.

После того как марсоход поработал “молотком”, в работу вступали инструменты, расположенные на том же роботизированном манипуляторе. Чем хороши просверленные отверстия — так это тем, что вы тут же можете сравнить свежую обнажённую породу с более старой поверхностной. Для начала можно провести обычный визуальный осмотр. В работу вступала та самая девятая камера-микроскоп.

Манипулятор прижимал камеру к исследуемой поверхности, а та получала фотографии с увеличением до 30 микрон — немного больше толщины человеческого волоса. Если немного переместить камеру и получить снимок под другим углом, мы можем создать стереоизображение. Единственный минус: собственного источника освещения у камеры не было, приходилось полагаться на естественный свет в марсианской атмосфере.

После визуального осмотра наши геологи принимались за изучение химического состава пород. Для этого на манипуляторе был установлен рентгеновский альфа-спектрометр APXS.

APXS содержал шесть небольших радиоактивных источников, которые бомбардировали образец альфа-частицами (ядра гелия) и рентгеновскими лучами. Глядя на энергию отражённых от поверхности частиц и рентгеновских лучей, инструмент был способен определить элементарный состав породы. Процесс занимал довольно много времени, до десяти часов на одну операцию, так что наблюдения проводились в марсианскую ночь, когда марсоход не двигался. Дополнительным преимуществом ночных наблюдений была значительно более низкая температура: это помогало повысить точность наблюдений APXS.

После рентгеновского облучения породы аппарат окончательно добивал её мощным гамма-излучением. Следующий инструмент, спектрометр Массбауэра, позволяет точно определить состав и количественное соотношение железосодержащих минералов.

Ведь предполагалось, что Марс имеет красноватый цвет поверхности из-за большого количества ржавчины, то есть там должно быть много железа. Этот инструмент использовался и днём и ночью, но исследователи старались не проводить анализ, если температура отклонялась от средней на 10 градусов по цельсию.

Пока манипулятор активно облучал поверхность планеты, расположенный в нижней части мачты инфракрасный спектрометр исследовал её температуру. Он одновременно наблюдал окружающую атмосферу и ближайшие объекты при помощи панорамных камер.

И “заглядывал” в марсианское небо, измеряя температуру слоёв атмосферы. Свет, попадавший в расположенные на мачте камеры, отражался вниз внутри неё и через зеркало перенаправлялся в телескоп и спектрометр Mini-TES. Неочевидно, но сравнение температуры поверхности поздним вечером и ранним утром позволяло выяснить, насколько Марс удерживает солнечное тепло и имеет ли внутренние источники тепла.

Ну и наконец самый простенький инструмент: обычные магниты, которые, как и гамма-спектрометр, должны были искать железо. Часть магнитов, расположенная на манипуляторе, пыталась уловить частицы пыли при сверлении. А другие находились в передней части марсоходов и должны были собирать пыль, поднимающуюся в атмосфере Красной планеты.

Последний, самый мощный магнит находился прямо под панорамной камерой. Во время остановок он должен был своим магнитным полем вызывать отклонение пылевых частиц, а камера была способна визуально это запечатлеть.

Как мы видим, и конструкция роверов, и набор инструментов служили заявленной цели: изучить геологию Марса на мобильной платформе. В 2003-м году MER-1 и MER-2 получают официальные имена. Девятилетняя Софи Коллинс, удочерённая девочка из России, написала пронзительное эссе с воспоминаниями о жизни в детском доме в Сибири:

Дух и Возможность, Spirit и Opportunity, были подготовлены к старту летом 2003-го. 10 июня и 8-го июля соответственно ракеты-носители Delta II запустили пару братьев-марсоходов на Красную планету. Спирит прибыл на Марс первым, поэтому сперва поговорим о его достижениях.

Посадка Спирита состоялась 4-го января 2004-го года. Находящийся внутри тормозных подушек аппарат подпрыгнул 28 раз и остановился в 300-та метрах от точки касания поверхности. И в 13 километрах от цели, кратера Гусева. Однако за все 6 лет работы он так и не успел туда добраться.

С первых дней Спирит начал передавать невероятно детальные изображения поверхности Марса: он стал первым аппаратом, способным получать и отправлять такие снимки. 21-го января связь с ним была внезапно утеряна, но программисты НАСА быстро нашли баг в программном обеспечении и выпустили патч. 5-го февраля работу удалось возобновить.

В первую очередь исследователи отправили Спирит в небольшой кратер Бонневилль, примерно в 400-та метрах от точки посадки. Затем марсоход отправился к холмам Коламбия, путешествие и работа около которых заняли большую часть его миссии. В 2005-м году произошло интересное событие: песчаный дьявол смёл с солнечных панелей аппарата пыль, благодаря чему значительно возросла генерация электроэнергии. Тогда же, с вершины холмов, Спирит получил панораму кратера Гусева. А путешествие к холму МакКул было отменено из-за отказа одного из передних колёс.

В 2007-м году инженеры обновили программное обеспечение обоих марсоходов. Отныне Спирит мог сам решать, стоит ли отправлять на Землю тот или иной снимок. И стал более автономен в управлении роботизированным манипулятором. Был намечен дальнейший маршрут — на плато около холмов Коламбия под названием Домашняя Плита.

Однако в планы учёных в очередной раз вмешалась марсианская погода. Из-за пылевой бури, заслонившей Солнце к концу 2008-го года, вместо обычных 700 ватт-час в день солнечные панели Спирита генерировали около 89-ти ватт. В таких условиях научная работа была полностью остановлена, а все силы — направлены на обогрев ровера. Однако со временем ситуация улучшилась, ветер частично сдул пыль с марсохода и он смог генерировать до 370-ти ватт-час. Движение и наука продолжились. В 2009-м году Спирит достиг промежуточной цели и выехал на Домашнюю Плиту. И вслед за погодой марсоходу начала вредить сама геология Красной планеты.

Первого мая ровер заехал в очень рыхлый и мелкий грунт, где одно из его задних колёс просто застряло и не смогло прокручиваться с необходимой силой. Трения было недостаточно, чтобы высвободить его из ловушки и спустя несколько неудачных попыток выбраться, команда приняла решение переформатировать миссию в стационарную, неподвижную.

Планировалось, что его новой целью станет измерение крошечных колебаний во вращении Марса: это помогло бы определить природу ядра планеты, то есть понять, жидкое оно или твердое.

Однако для этого марсоход нужно было быть слегка наклонить на север и подставить батареи под зимнее северное Солнце. Необходимый наклон не был достигнут и постепенно аппарат вновь начал терять энергию. Пока 22-го марта 2010-го года связь со Спиритом не была окончательно потеряна. Попытки дозвониться до марсохода продолжались аж до 25-го мая 2011-го: в этот день миссию окончательно объявили завершённой.

Если быстро пробежаться по достижениям Спирита, в 2004-м году он нашёл первые признаки существования воды на Марсе. В 2005-м — получил первые изображения пылевых дьяволов с небольшой дистанции. В 2006-м в грунте места под названием Тирон обнаружил следы серы и воды. Тогда же около Домашней Плиты Спирит нашёл чёткие признаки древнего взрыва: разбросанные крупные камни поверх мелкой гальки. Это свидетельства либо вулканических извержений, либо столкновения с метеоритом. А в 2007-м буксующее переднее колесо ровера обнажило почти чистый кремнезём, основной ингредиент стёкол, которые мы на Земле устанавливаем в своих домах.

Всего аппарат проработал на поверхности Марса 6 лет, 2 месяца и 19 дней, наколесив по его поверхности 7730 метров.

И хотя миссия MER-1 в 2010-м фактически остановилась, на другой стороне планеты вовсю продолжал работать брат “Спирита”, Оппортьюнити. Давайте посмотрим, на итоги его жизни.

Как вы помните, Оппи стартовал на три недели позже своего коллеги, поэтому и посадку в кратере Игл совершил аж 25-го января 2004-го года. Его посадка тоже была мягкой, хотя без 26-ти отскоков от поверхности не обошлось. Дистанция до намеченной цели составила почти 15 километров.

К слову, само место посадки получило имя: Станция памяти Челленджера, в честь экипажа разбившегося в 1986-м году Спейс-Шаттла. Исследовав кратер, марсоход сделал его панорамный снимок и уже на выезде обнаружил древний метеорит из никеля.

В начале 2005-го года аппарат застревает в сыпучем грунте — так же, как спустя несколько лет застрянет его брат. Однако команде учёных удалось постепенными чуть ли не рывковыми движениями сантиметр за сантиметром высвободить Оппортьюнити из песка. Операция по спасению заняла 6 недель.

В 2007-м аппарат переживал те же проблемные пылевые бури что и Спирит. Питание падало до 120-ти ватт-час, а научные работы тоже полностью останавливались. Но затем ветер сдул пыль, на небе показалось солнышко и Оппи смог продолжить своё путешествие: определённой заранее целью стал огромный кратер Индевор.

К концу марта 2010-го аппарат проехал почти в три раза большую дистанцию, чем Спирит, целых 20 километров. И, наконец, 9-го августа 2011-го года прибыл в Индевор. Изучая окрестности кратера, он сперва установил рекорд по продолжительности работы на внеземном объекте, а затем и по пройденной дистанции, обойдя советский аппарат Луноход-2. Одометр ровера на тот момент показывал уже 40.25 пройденных километров.

В 2014-м году постоянные сбои памяти Оппортьюнити вынудили команду миссии провести рискованное обновление: инженеры полностью переформатировали его флеш-память. А к концу того же года полностью отказались от её использования из-за вышедших из строя блоков. Аппарат полностью перешёл на оперативную память.

Седьмая марсианская зима 2015-2016 годов была встречена очередными проблемами. Солнечного света вновь не хватало для генерации электроэнергии и ровер перевели в режим минимальной производительности, чтобы он не замёрз. Хотя научная работа не останавливалась, а сама зима была успешно пережита.

Продолжая двигаться по западной кромке кратера Индевор, аппарат установил очередной рекорд: успешно проехался по самому крутому склону вне земли: его наклон составил 30 градусов. Оказавшись к концу года уже в западной части кратера, Оппортьюнити принялся изучать воронки и склоны внутри него. Следующей целью стала долина Персевиренс, направляясь к которой аппарат неудачно вывернул одно из передних колёс. Несколько манёвров позволили вернуть это колесо в “прямое” положение и в середине июля 2017-го ровер начал спуск в долину Персевиренс. Там, к сожалению, количество получаемого света значительно снизилось, а когда в 2018-м году начался очередной сезон пылевых бурь, солнечные лучи практически не достигали углубления, в котором оказался Оппортьюнити. 10-го июня он отправил свой последний сигнал и утих навсегда.

Команда NASA с волнением ожидала окончания бурь, однако ни одна из попыток установить связь не увенчалась успехом. 13-го февраля 2019-го года миссию объявили завершённой. Счётчик пройденного расстояния составил 45,16 километра. Как и Спирит, Оппортьюнити совершил множество открытий: обнаружил следы воды, подтвердил, что в прошлом на Марсе была возможна простая микробная жизнь. Аппарат пережил 60 продлений миссии и вместо 90 суток проработал на поверхности Марса 14 лет 11 месяцев и 1 день, что на данный момент остаётся рекордом.

Если говорить о глобальных итогах мероприятия, программа Mars Exploration Rover оказалась невероятно успешной: оба аппарата справились со своими задачами, изучили противоположные полушария планеты, во много раз превзошли изначальные сроки работы и отправили на Землю гигабайты панорам и научных данных. Но самым главным всё же стало само достижение: NASA доказало, что может отправить на Марс недорогие аппараты и с помощью них сделать кучу открытий, которых никто даже не ожидал. Что техника при должном обращении способна работать с десяток лет. И что в следующий раз нужно получше продумать схему питания, возможно, отказаться от солнечных панелей… И заняться подвеской и колёсами.

Все эти выводы, набитые шишки и приобретённый опыт спустя почти десять лет после прибытия Спирита и Оппортьюнити на Марс выльются в следующий этап программы, Марсоход Curiosity. Его миссия продолжается, а, как я уже говорил, в этом году будет запущен и его брат-близнец. Итоги миссии Кьюриости подводить пока рано, но о нём есть что рассказать, так что если вам интересно, напишите об этом в комментариях. А пока отметим только что после активных девяностых интерес NASA к Марсу вынужденно подупал: пришлось экономить и поддерживать другие миссии.

Но команда Альфа Центавра уверена, что уже на нашем веку мы будем как минимум смотреть прямые трансляции с далёкой Красной планеты. Как максимум - сами их проводить.

Если вам понравился материал, можете поделиться им с друзьями и, например, подписаться на наш канал на YouTube.