Mars Exploration Rover

Den stabile version blev tjekket ud den 13. maj 2022 . Der er ubekræftede ændringer i skabeloner eller .

Mars Exploration Rover ( MER ) - NASA 's program til at udforske planeten Mars ved hjælp af to af samme type mobil, der bevæger sig på overfladen af ​​rumfartøjer- rovere . Den videnskabelige leder af programmet er Steve Squires .

Under programmet blev anden generations rovere MER-A Spirit (Spirit) og MER-B Opportunity (Opportunity) med succes leveret til Mars . Nedstigningskøretøjet med Spirit-roveren foretog en blød landing på Mars den 4. januar 2004 i Gusev-krateret (landingsstedets koordinater er 14.5718° S, 175.4785° E). Landeren med Opportunity-roveren lavede en blød landing på Mars den 25. januar 2004Meridian Plateau (landingsstedskoordinater - 1,95 ° S 354,47 ° E).

Med en basis 90-dages roverlevetid fungerede Spirit i mere end 6 år indtil 2011 , og Opportunity satte en rekord for varigheden af ​​driften af ​​et rumfartøj på overfladen af ​​Mars i 2012 og fortsatte med at arbejde indtil juni 2018, indtil det holdt op med at transmittere data på grund af en global støvstorm på Mars. Opportunity rover-missionen sluttede den 13. februar 2019.

Navne på rovere

Navnene på roverne blev givet som en del af den traditionelle NASA-konkurrence af en 9-årig pige af russisk oprindelse, Sophie Collis, som blev født i Sibirien og adopteret af en amerikansk familie fra Arizona . Navnene Spirit ("Spirit") og Opportunity ("Godbydende mulighed") blev godkendt. [1] .

Missionsmål

Hovedformålet med missionen var at studere sedimentære bjergarter , som skulle være dannet i kratere ( Guseva , Erebus ), hvor der engang kunne være en sø, et hav eller et helt hav.

Følgende videnskabelige opgaver blev sat til Mars Exploration Rover-missionen [2] :

Apparatdesign

MER-projektets automatiske interplanetariske station inkluderer et nedstigningskøretøj og et flyvemodul. Til forskellige stadier af deceleration i Mars atmosfære og blød landing indeholder nedstigningskøretøjet et konisk varmeskjold, et faldskærmssystem, solide raketmotorer og sfæriske luftpuder.

Masse af hovedkomponenterne i AMS
Hovedkomponenter Komponent Vægt Tilføjelse
Flyvemodul 243 kg inklusive 50 kg brændstof
Nedstigning køretøj varmeskjold 78 kg
Bagskærm og faldskærm 209 kg
landingsplatform 348 kg
i alt 878 kg
rover 185 kg
Samlet masse 1063 kg

Roveren har 6 hjul. Kilden til elektricitet er solpaneler med en kapacitet på op til 140 watt [3] . Med en masse på 185 kg er roveren udstyret med en slibemaskine, flere kameraer, et mikrokamera ( MI ) og to spektrometre monteret på manipulatoren [4] [5] .

Roverens roterende mekanisme er lavet på basis af servodrev . Sådanne drev er placeret på hvert af for- og baghjulene, det midterste par har ikke sådanne dele. Rotationen af ​​roverens for- og baghjul udføres ved hjælp af elektriske motorer , der fungerer uafhængigt af de motorer, der sikrer enhedens bevægelse.

Når roveren skal dreje, tænder motorerne og drejer hjulene til den ønskede vinkel. Hele resten af ​​tiden forhindrer motorerne tværtimod svinget, så enheden ikke kommer på afveje på grund af hjulenes kaotiske bevægelse. Skift mellem svingbremsetilstande udføres ved hjælp af et relæ .

Roveren er også i stand til at grave jorden (graven), rotere et af forhjulene, mens den forbliver ubevægelig.

Indbygget computer er bygget på en 20 MHz RAD6000- . Robottens driftstemperatur er fra minus 40 til plus 40 °C. Til drift ved lave temperaturer anvendes en radioisotopvarmer, som også kan suppleres med elvarmere efter behov [6] . Aerogel og guldfolie bruges til termisk isolering .

Rover værktøj:

Roverarmen indeholder følgende værktøjer:

Kameraopløsning - 1024x1024 pixels . De modtagne data gemmes med ICER-komprimering til senere transmission.

Batterier og varmelegemer

Varmeapparater , batterier og andre komponenter er ikke i stand til at overleve de kolde marsnætter, så de er i "termisk blok med elektronik". Nattetemperaturer kan falde til -105°C. Temperaturen på batterierne skal være over -20 °C, når de driver roverens systemer, og over 0 °C, når de genoplades. Opvarmningen af ​​"den termiske enhed med elektronik" sker på grund af elektriske og otte radioisotopvarmere, samt på grund af den varme, der genereres fra elektronikken [9] .

Hver radioisotopvarmer producerer omkring 1 watt varme og indeholder omkring 2,7 gram plutoniumdioxid i pellets på størrelse og form som et blyant viskelæder. Hver perle er indkapslet i en metalskal af platin-rhodiumlegering og omgivet af flere lag carbon-grafit-kompositmaterialer, hvilket gør hele enheden i størrelse og form ligner et C- batteri . Dette design med flere beskyttende lag er blevet testet med plutoniumdioxid inde i varmeelementerne, hvilket i høj grad reducerer risikoen for forurening af planeten, hvis roveren styrter ned ved landing. Andre rumfartøjer, herunder Mars Pathfinder og Sojourner-roveren , har kun brugt radioisotopvarmere til at holde elektronikken ved den optimale temperatur [9] .

Designfunktioner

Alle roverens systemer er afhængige af en kraftig computer, der er beskyttet mod virkningerne af lave temperaturer. I midten af ​​roveren er der en vigtig "varm elektronikboks" ( eng.  warm electronics box , "WEB"), som er ansvarlig for bevægelsen af ​​Opportunity, samt for indsættelsen af ​​manipulatoren. Indbygget computer - omtrent samme kraft som en god bærbar (for 2003). Hukommelsen er omkring 1000 gange større end dens forgænger, Sojourner-roveren [10] .

Opportunitys indbyggede computer er bygget på en 32-bit strålingsbestandig " RAD6000 " processor, der arbejder ved en frekvens på 20 MHz. Indeholder 128 megabyte RAM og 256 megabyte flashhukommelse [10] .

Roverens vigtige systemer er installeret i et modul kaldet "roverelektronik", som er fastgjort i "termoelektronikblokken". Dette modul er placeret præcis i midten af ​​roveren. Guldbelægningen på blokkenes vægge hjælper med at fange den genererede varme fra varmeapparaterne, fordi nattemperaturerne på Mars kan falde til -96 grader Celsius. Termisk isolering er et lag aerogel . Aerogel er et unikt materiale med rekordlav densitet og en række unikke egenskaber: hårdhed, gennemsigtighed, varmebestandighed, ekstrem lav varmeledningsevne osv. I et luftmiljø under normale forhold er densiteten af ​​et sådant metalmikrogitter 1,9 kg / m³ på grund af intragitterluften er dens tæthed kun 1,5 gange luftens tæthed, hvorfor aerogel kaldes "fast røg". [ti]

En inertimåleanordning estimerer roverens hældning og hjælper med at foretage præcise bevægelser. [ti]

Hovedcomputeren udfører også regelmæssig vedligeholdelse af roveren. Dens software sikrer, at alle systemer fungerer korrekt. [ti]

Strømproduktion

Som med Mars Pathfinder-missionen genereres den elektricitet, der er nødvendig for at drive rovernes systemer, af solpaneler . Solpaneler er placeret på rovernes "vinger" og består af individuelle celler, hvilket markant øger missionens pålidelighed. Designet specielt til " Spirit " og "Opportunity" for at opnå det maksimale område for indsamling af lys, så vidt muligt (se billedet til venstre) .

En anden nyhed for rovere er tilføjelsen af ​​et tredobbelt lag galliumarsenid . Dette er den første brug af trelags solarrays i Mars-udforskningens historie. Battericellerne er i stand til at absorbere mere sollys end den ældre version installeret på Sojourner- roveren i 1997. Solcellerne er i tre lag af roverens solpaneler, og er derfor i stand til at absorbere mere sollys, og som følge heraf kan de generere mere elektricitet for at genoplade rovernes lithium-ion-batterier . .

Mars Pathfinder-missionen brugte Sojourner-roveren et enkelt 40 Ah lithiumbatteri. I Mars Exploration Rovers -missionen bruger rovers to lithium-ion-batterier med en kapacitet på 8 Ah hver. Under Opportunitys ophold på Mars var den maksimale solcelleenergiproduktion tæt på 900 Wh på 1 Mars-dag, eller sol. Spirit og Opportunitys solpaneler producerede i gennemsnit 410 Wh/sol (på grund af den gradvise ophobning af marsstøv på dem).

Kommunikation

Kommunikation med orbitere

Roverne fra Mars Exploration Rovers -missionen bruger Mars Odyssey orbiteren , som konstant kredser om den "røde planet", som et relæ.

I 16 minutter er han i "kommunikations"-zonen med roveren, hvorefter han forsvinder ud over horisonten. "Opportunity" kan "kommunikere" med orbiteren i 10 minutter, i denne periode modtager den data fra roveren [11] .

Langt størstedelen af ​​de videnskabelige data sendes til missionsbesætningen til Jorden via roverens "UHF-antenne", som også bruges til at kommunikere med Mars Odyssey-kredsløbet. Mars Odysseus transmitterer hovedparten af ​​de videnskabelige data modtaget fra begge rovere. En anden orbiter, Mars Global Surveyor , transmitterede omkring 8% af alle data, før den fejlede i november 2006 efter 10 års drift. En lille mængde data blev transmitteret direkte til Jorden via en "X-band" antenne. [elleve]

Orbitere med kraftige " X-band " antenner er i stand til at transmittere data til Jorden med en højere hastighed. Transmissionshastigheden er lav, derfor for at øge den blev Deep Space Communications Complex bygget , hvis diameter på den parabolske hovedantenne er 70 meter. [elleve]

Kommunikation med flyvemodulet

Flyvemodulet var udstyret med to nødvendige antenner for at opretholde kommunikationen med Jorden. En omnidirektional antenne med lav forstærkning blev brugt, da skibet var tæt på Jorden. På grund af det faktum, at den sender et signal i alle retninger, behøver den ikke at pege på Jorden for at skifte til en anden kommunikationskanal. Derefter kommer en meget retningsbestemt antenne med en gennemsnitlig forstærkning i spil, for vellykket drift skal den rettes mod Jorden , antennen havde mere kraft, da afstanden til Jorden gradvist steg under flyvningen. [elleve]

Uden for fare

Roverne fra Mars Exploration Rovers -missionen har et system til overvågning af farlige zoner, og derfor kan roverne sikkert undgå dem under bevægelsen. Implementeringen af ​​dette system er den første i historien om studiet af Mars, udviklet ved Carnegie Mellon University.

To andre lignende programmer er blevet slået sammen til én software for at forbedre den samlede ydeevne. Den første overvåger motorens drift, styrer roverens hjul, rensebørsten samt stenboreværktøjet (RAT). Den anden overvåger driften af ​​roverens solpaneler , omdirigerer energi til to batterier , fungerer som natcomputer og styrer også roverens ur. [12]

Forbedret syn

I alt tyve kameraer , der hjælper rovers med at søge efter spor af vandpåvirkning på Mars, giver Jorden fotografier af høj kvalitet af planeten. Kameraerne til Mars Exploration Rovers- missionen tager billeder i meget høj opløsning, hvilket er det højeste i udforskningshistorien. [12]

Fremskridt inden for teknologi har hjulpet med at gøre kameraer lettere og mere kompakte, hvilket gør det muligt at montere ni kameraer på hver rover, en per nedstigningsplatform (DIMES). Rover-kameraerne, der er udviklet på Jet Propulsion Laboratory , er de mest avancerede kameraer, der nogensinde har landet på en anden planet. [12]

Forbedret datakomprimering

Datakomprimeringssystemet blev også udviklet på Jet Propulsion Laboratory, det giver dig mulighed for at reducere mængden af ​​data til efterfølgende transmission til Jorden. ICER er baseret på wavelet-transformationer , med evnen til at behandle billeder. Eksempelvis vil et 12 MB billede med tiden blive komprimeret til 1 MB, og dermed fylde meget mindre på hukommelseskortet. Programmet opdeler alle billeder i grupper på 30 billeder hver, denne procedure reducerer markant risikoen for at miste billeder, når de sendes til Jorden, til Deep Space Networks i Australien . [12]

Oprettelse af terrænkort under bevægelse

Også en nyskabelse for denne mission er evnen til at skabe kort over det omkringliggende område. For det videnskabelige hold er dette meget værdifuldt, da kortene giver dig mulighed for at bestemme fremkommeligheden, hældningsvinklen såvel som solfasen. Stereobilleder giver teamet mulighed for at skabe 3D-billeder, som gør det muligt nøjagtigt at bestemme placeringen af ​​det observerede objekt. Kortene, der er udviklet ud fra disse data, giver holdet mulighed for at vide, hvor langt roveren skal rejse for at nå det nødvendige objekt, og de hjælper også med at pege på manipulatoren. [12]

Soft Landing Technology

Ingeniører stod over for den skræmmende opgave at reducere rumfartøjets hastighed fra 20.000 km/t under genindsejling til 20 km/t , da det ramte Mars -overfladen . [13]

Forbedret faldskærm og airbags

Til indstigning, nedstigning og landing brugte Mars Exploration Rovers -missionen meget af udviklingen fra sine forgængere: Vikingemissionen og Mars Pathfinder . For at bremse nedstigningshastigheden bruger missionen den gamle faldskærmsteknologi fra Viking Mission , der blev opsendt i slutningen af ​​1970'erne, samt Mars Pathfinder Mission fra 1997 . Mars Exploration Rovers missionsrumfartøjerne er meget tungere end de foregående, faldskærmens grundlæggende design forbliver det samme, men det har 40 % mere areal end sine forgængere. [13]

Airbags er også blevet forbedret, denne landingsdæmpende teknologi blev brugt i Mars Pathfinder-missionen . Rundt om landeren, som indeholdt roveren , var der fireogtyve oppustede celler. Airbaggene er lavet af et meget slidstærkt syntetisk materiale kaldet "Vectran". Det samme materiale bruges til at lave rumdragter . Igen, efterhånden som rumfartøjets vægt steg, skulle der bygges stærkere airbags. Flere faldtest har vist, at den ekstra masse forårsager alvorlige skader og rivning af materialet. Ingeniører har udviklet et dobbelt skin af airbags for at forhindre alvorlig skade under højhastighedslandinger, hvor airbaggene kan komme i kontakt med skarpe sten og andre geologiske træk ved den røde planet. [13]

Brug af raketmotorer til at sænke synkehastigheden

For at reducere rumfartøjets nedstigningshastighed blev der brugt tre jetmotorer (RAD'er), placeret på dets sider. Et radarsæt ( RLS ) monteret i bunden af ​​landeren bestemte afstanden til overfladen. Da landeren var i en højde af 1,5 km, aktiverede radarsystemet kameraet "Descent Image Motion Estimation Subsystem" (DIMES). Kameraet tog tre billeder af overfladen (med en forsinkelse på 4 sekunder), hvilket gjorde det muligt automatisk at bestemme den horisontale hastighed af nedstigningskøretøjet. Nogen tid senere begyndte Mars Exploration Rovers -missionens nye fremdriftssystem nedstigningen af ​​Spirit -roveren . Som forventet blæser der kraftige vinde i Gusev-krateret , som rystede Spirits nedstigningsmodul fra side til side, hvilket forhindrede det i en sikker landing. Vector Thruster System (TIRS) forhindrede side-til-side uregelmæssige bevægelser, hvilket resulterede i en mere stabil lander under landing. Under Opportunitys nedstigning havde Meridian Plateauet mere gunstigt vejr end Gusev Crater, så der var ingen grund til at bruge deres TIRS-system til at stabilisere nedstigningen. [13]

Forbedret rover-mobilitet

Spirit og Opportunity blev designet med evnen til at overvinde forskellige forhindringer, såvel som det stenede terræn på Mars. Sojourner-roverens affjedringssystem blev modificeret til Mars Exploration Rovers-missionen. [fjorten]

Ny software hjælper med at undgå forhindringer under bevægelse. Når kontakt med klippen er uundgåelig, kommer et avanceret affjedringssystem i spil, som roveren er meget nemmere at manøvrere med. [fjorten]

Affjedringssystemet er fastgjort bag på roveren. Hjulene er blevet øget i størrelse og også forbedret deres design. Hvert hjul har en diameter på 26 centimeter. Deres indre og ydre dele er forbundet med en speciel spiralstruktur, som giver dig mulighed for at absorbere slagkraften og forhindre den i at sprede sig. Affjedringssystemet giver dig mulighed for bedre at overvinde forhindringer, såsom sten, der kan være større end selve hjulene. Hvert hjul har et slidbanemønster med markante ører, der giver forbedret trækkraft på sten og blødt underlag. Den indvendige del af hjulene er lavet af et materiale kaldet "Solimide", som bevarer sin elasticitet selv ved meget lave temperaturer og er derfor ideel til de barske forhold på Mars. [fjorten]

At rejse langs stierne med mindst modstand

Roverne fra Mars Exploration Rovers- missionen har bedre fysiske egenskaber end dem fra Sojourner- roveren fra 1997 , og derfor har Spirit og Opportunity brug for mere autonomi. Ingeniører har forbedret køresoftwaren til automatisk navigering med mulighed for at lave terrænkort, hvilket gør rovere mere selvhjulpne. [fjorten]

Når roveren får en kommando om at bevæge sig selvstændigt, begynder den at analysere det omkringliggende område, hvorefter den laver stereobilleder, hvormed den vælger den bedste sikre rute. Roverne skal undgå forhindringer på deres vej, så roverne genkender dem i deres stereobilleder. Denne innovation gjorde det muligt at rejse længere afstande end med manuel navigation fra Jorden. Fra midten af ​​august 2004 rejste Opportunity-roveren ved hjælp af automatisk selvnavigation 230 meter (en tredjedel af afstanden mellem Eagle Crater og Endurance Crater ), Spirit-roveren mere end 1250 meter ud af en planlagt 3000 meters kørsel til "Columbia Hills". [fjorten]

Det automatiske navigationssystem tager billeder af det omkringliggende område ved hjælp af et af to stereokameraer. Stereobillederne konverteres derefter til 3D terrænkort, som automatisk genereres af rover-softwaren. Softwaren bestemmer graden af ​​fremkommelighed, om terrænet er sikkert, højden af ​​forhindringer, jordens tæthed og overfladens vinkel. Fra snesevis af mulige stier vælger roveren den korteste, sikreste vej til sit mål. Derefter, efter at have kørt fra 0,5 til 2 meter (afhængigt af hvor mange forhindringer der er i dens vej), stopper roveren og analyserer de forhindringer, der er i nærheden. Hele processen gentages indtil den når sin destination, ellers indtil den får ordre om at stoppe fra Jorden. [fjorten]

Køresoftwaren på Mars Exploration Rovers-missionen er mere avanceret end Sojourners. Sojourners sikkerhedssystem kunne kun fange 20 point ved hver tur; Spirit and Opportunitys sikkerhedssystem fanger typisk over 16.000 point . Rovernes gennemsnitlige hastighed, inklusive undgåelse af forhindringer, er omkring 34 meter i timen - ti gange hurtigere end Sojourners. I alle tre måneder af sit arbejde rejste Sojourner godt 100 meter. Spirit and Opportunity passerede det mærke samme dag; Spirit rejste 124 meter på Sol 125 og Opportunity rejste 141 meter på Sol 82. [fjorten]

En anden nyskabelse i Mars Exploration Rovers-missionen er tilføjelsen af ​​softwarestyret visuel odometri . Når roveren køres over et sandet eller stenet område, kan dens hjul glide og derfor give forkerte afstandsmålinger. Visuel odometri hjælper med at korrigere disse værdier ved at vise, hvor langt roveren faktisk rejste. Det fungerer ved at sammenligne billeder taget før og efter et kort stop, og automatisk finde snesevis af iøjnefaldende genstande (såsom sten, hjulspor og klitter), mens den sporer afstanden mellem på hinanden følgende billeder. At kombinere dem til 3D-billeder giver meget mere information - alt dette er meget nemmere og mere præcist end at beregne den tilbagelagte afstand af hjulets antal omdrejninger. [fjorten]

Galleri

Panorama

Filmografi

Se også

Noter

  1. Maxim Borisov. Navnene på de amerikanske rovere blev givet af et ni-årigt forældreløst barn fra Sibirien . Grani.Ru (10. juni 2003). Dato for adgang: 17. maj 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  2. Mars rover's videnskabelige mål  (eng.)  (utilgængeligt link) . NASA. Hentet 5. juni 2011. Arkiveret fra originalen 24. august 2011.
  3. Mars Exploration Rover Mission: The Mission (link utilgængeligt) . Hentet 11. august 2012. Arkiveret fra originalen 11. januar 2014. 
  4. Chang, Kenneth . Martian Robots, tager ordre fra en Manhattan Walk-Up , The New York Times  (7. november 2004). Arkiveret fra originalen den 3. april 2015. Hentet 9. april 2009.
  5. Squires, Steve. Roving Mars: Spirit, Opportunity, and the Exploration of the Red Planet  (engelsk) . — Hyperion Press, 2005. - S. 113-117. - ISBN 978-1-4013-0149-1 .
  6. MER - Batterier og varmeapparater (ikke tilgængeligt link) . Jet Propulsion Laboratory . NASA. Hentet 13. august 2012. Arkiveret fra originalen 18. oktober 2012. 
  7. Mars rover Opportunity finder spor af ferskvand . Hentet 26. juni 2020. Arkiveret fra originalen 12. april 2021.
  8. Spirit rover finder krystallinsk salt, muligvis havsalt . Hentet 26. juli 2018. Arkiveret fra originalen 11. juli 2018.
  9. 1 2 Batterier og varmeapparater (ikke tilgængeligt link) . Hentet 26. juli 2018. Arkiveret fra originalen 9. juni 2012. 
  10. 1 2 3 4 5 Teknologier med bred fordel: Avionics (link utilgængeligt) . Hentet 26. juli 2018. Arkiveret fra originalen 25. februar 2014. 
  11. 1 2 3 4 Teknologier med bred fordel: Telekommunikation Arkiveret 1. marts 2014 på Wayback Machine // marsrover.nasa.gov
  12. 1 2 3 4 5 Teknologier til bred fordel: Software Engineering (link utilgængeligt) . Hentet 26. juli 2018. Arkiveret fra originalen 1. marts 2014. 
  13. 1 2 3 4 In-situ udforskning og prøvetilbagekomst: Indstigning, nedstigning og landing (link utilgængeligt) . Hentet 26. juli 2018. Arkiveret fra originalen 3. december 2013. 
  14. 1 2 3 4 5 6 7 8 In-situ udforskning og prøveretur: Autonom Planetary Mobility (link utilgængeligt) . Hentet 26. juli 2018. Arkiveret fra originalen 3. december 2013. 

Links