Poniżej znajduje się fragment mojej nowej książki „Incredible Stories From Space: A Behind-the-Scenes Look at the Missions zmieniające nasze spojrzenie na Kosmos”, która ukaże się jutro, grudzień. Książka jest wewnętrznym spojrzeniem na kilka obecnych Misje robotyczne NASA, a ten fragment jest częścią 1 z 3, która zostanie opublikowana tutaj w Space Magazine, rozdział 2, „Wędrujący Mars z ciekawością”. Książkę można zamówić na Amazon i Barnes & Noble.
Siedem minut terroru
Statek kosmiczny średniej wielkości - taki jak łazik lub automatyczny lądownik - zajmuje około siedmiu minut, by zejść przez atmosferę Marsa i dotrzeć do powierzchni planety. W ciągu tych krótkich minut statek kosmiczny musi zwolnić z płonącej prędkości dochodzącej do około 13 000 mil na godzinę (20,900 km / h), aby przyziemić z prędkością zaledwie 2 km / h (3 km / h) lub mniej.
Wymaga to serii wydarzeń podobnych do Rube Goldberga, które odbywają się w idealnej sekwencji, z precyzyjną choreografią i harmonogramem. A wszystko to musi odbywać się automatycznie za pomocą komputera, bez udziału nikogo na Ziemi. Nie ma możliwości zdalnego sterowania statkiem kosmicznym z naszej planety oddalonej o około 150 milionów mil (250 milionów km). W tej odległości czas opóźnienia sygnału radiowego z Ziemi na Marsa trwa ponad 13 minut. Dlatego do czasu zakończenia siedmiominutowego zejścia wszystkie te zdarzenia miały miejsce - lub nie - i nikt na Ziemi nie wie, który. Albo twój statek kosmiczny wspaniale leży na powierzchni Marsa, albo leży na rozbitej kupie.
Dlatego naukowcy i inżynierowie z misji na Marsa nazywają to „Siedem minut terroru”.
A wraz z misją Mars Science Laboratory (MSL), która wystartowała z Ziemi w listopadzie 2011 r., Strach i lęk przed tym, co oficjalnie nazywa się „wjazdem, zejściem i lądowaniem” (EDL), wzrosło wykładniczo. MSL jest wyposażony w 1-tonowy (900 kg), sześciokołowy łazik o nazwie Curiosity, a ten łazik miał używać zupełnie nowego, niespróbowanego systemu lądowania.
Do tej pory wszystkie lądowniki i łaziki Mars używały - w celu - wejścia z prowadzeniem rakiet, tarczy cieplnej do ochrony i spowolnienia pojazdu, a następnie spadochronu, a następnie silników odrzutowych, aby jeszcze bardziej spowolnić pojazd. Ciekawość wykorzystałaby również tę sekwencję. Jednak ostatni, kluczowy element obejmował jedno z najbardziej skomplikowanych urządzeń lądujących, jakie kiedykolwiek latano.
Nazwany „Sky Crane”, unosząca się scena rakietowa obniżyłaby łazik na 20-metrowych kablach liny Vectran jak zjeżdżający alpinista, z łazikiem miękko lądującym bezpośrednio na kołach. Wszystko to musiało zostać ukończone w ciągu kilku sekund, a kiedy komputer pokładowy wykrył przyziemienie, pirotechnika zerwie liny, a unoszący się etap zejdzie z pełną przepustnicą do lądowania z dala od ciekawości.
Jeszcze bardziej komplikując sprawę, ten łazik miał zamiar spróbować jak najdokładniejszego lądowania poza światem, osadzając się w kraterze obok góry o wysokości Mount Rainier.
Główną częścią niepewności było to, że inżynierowie nigdy nie byli w stanie przetestować całego systemu lądowania razem. I nic nie mogło symulować brutalnych warunków atmosferycznych i lżejszej grawitacji obecnych na Marsie, z wyjątkiem przebywania na samym Marsie. Ponieważ prawdziwe lądowanie byłoby pierwszym użyciem Sky Crane w pełnym składzie, pojawiły się pytania: A gdyby kable się nie rozdzieliły? Co się stanie, jeśli etap schodzenia będzie nadal opadał na łazik?
Gdyby Sky Crane nie zadziałał, byłaby to gra dla misji, która już tak wiele pokonała: problemy techniczne, opóźnienia, przekroczenia kosztów i gniew krytyków, którzy twierdzili, że ten łazik marsjański o wartości 2,5 miliarda dolarów krwawił z pieniędzy reszta programu badań planetarnych NASA.
Misje na Marsa
Dzięki czerwonemu blaskowi na nocnym niebie Mars od stuleci woła mieszkańców. Jako najbliższa planeta Ziemia, która oferuje jakikolwiek potencjał do przyszłych misji ludzkich lub kolonizacji, była bardzo interesująca w dobie eksploracji kosmosu. Do tej pory na Czerwoną Planetę wystartowało ponad 40 robotycznych misji… a ściślej mówiąc, było ich ponad 40 próbował.
Łącznie ze wszystkimi amerykańskimi, europejskimi, sowieckimi / rosyjskimi i japońskimi wysiłkami ponad połowa misji Marsa zakończyła się niepowodzeniem, z powodu katastrofy startowej, awarii na drodze do Marsa, nieudanej próby zsunięcia się na orbitę lub katastrofalnego lądowania. Podczas gdy ostatnie misje zakończyły się większym sukcesem niż nasze pierwsze pionierskie próby zbadania Marsa in situ (na miejscu) kosmiczni naukowcy i inżynierowie tylko częściowo żartują, gdy mówią o takich rzeczach, jak „wielki galaktyczny ghul” lub „klątwa marsa” misje.
Ale były też wspaniałe sukcesy. Wczesne misje w latach 60. i 70., takie jak orbitery Mariner i lądowniki wikingów, pokazały nam uderzająco piękny, choć jałowy i skalisty świat, budząc w ten sposób wszelkie nadzieje „małych zielonych ludzi” jako naszych planetarnych sąsiadów. Późniejsze misje ujawniły jednak dychotomię: wspaniałe spustoszenie w połączeniu z kuszącymi śladami przeszłości - a może nawet teraźniejszości - wody i globalnej działalności.
Dziś powierzchnia Marsa jest zimna i sucha, a jej cienka szeptana atmosfera nie chroni planety przed bombardowaniem promieniowaniem słonecznym. Ale wskazówki wskazują, że warunki na Marsie nie zawsze były takie. Z orbity widoczne są kanały i skomplikowane układy dolin, które wydają się być wyrzeźbione przez płynącą wodę.
Przez dziesięciolecia planetolodzy debatowali, czy te cechy powstają podczas krótkich, mokrych okresów spowodowanych kataklizmami, takimi jak masowe uderzenie asteroidy lub nagłe klęski klimatyczne, czy też powstały przez miliony lat, kiedy Mars mógł być stale ciepły i mokry. Wiele dotychczasowych dowodów jest niejednoznacznych; funkcje te mogły powstać w obu kierunkach. Ale miliardy lat temu, gdyby istniały rzeki i oceany, tak jak na Ziemi, życie mogłoby się zatrzymać.
Łaziki
Łazik Curiosity to czwarty mobilny statek kosmiczny NASA wysłany na powierzchnię Marsa. Pierwszym z nich był łazik Sojourner o wadze 10 funtów (10,6 kg), który wylądował na pokrytej kamieniami równinie marsjańskiej 4 lipca 1997 r. Sojourner o długości około 65 cm nigdy nie przemierzył wielkości kuchenki mikrofalowej ponad 40 stóp od jego lądownika i stacji bazowej. Łazik i lądownik razem stanowiły misję Pathfinder, która miała trwać około tygodnia. Zamiast tego trwał prawie trzy miesiące, a duet zwrócił 2,6 gigabajta danych, robiąc ponad 16 500 zdjęć z lądownika i 550 zdjęć z łazika, a także wykonując pomiary chemiczne skał i gleby oraz badając atmosferę i pogodę Marsa. Zidentyfikował ślady cieplejszej, wilgotniejszej przeszłości Marsa.
Misja miała miejsce, gdy Internet zyskiwał na popularności, a NASA postanowiła opublikować zdjęcia z łazika online, gdy tylko zostaną wysłane na Ziemię. Skończyło się to jednym z największych wydarzeń w historii młodego Internetu. Witryna NASA (i witryny lustrzane skonfigurowane pod kątem wysokiego popytu) otrzymała ponad 430 milionów odsłon w ciągu pierwszych 20 dni po wylądowaniu.
Pathfinder również wykorzystał niezwykły system lądowania. Zamiast używać silników odrzutowych do lądowania na powierzchni, inżynierowie wymyślili system gigantycznych poduszek powietrznych, które otaczają i chronią statek kosmiczny. Po zastosowaniu konwencjonalnego systemu wejścia z kierowaniem rakietowym, osłony cieplnej, spadochronów i silników odrzutowych, poduszki powietrzne napompowały się, a lądownik w kokonie został zrzucony ze 100 stóp (30 m) nad ziemią. Odskakując kilka razy na powierzchni Marsa jak gigantyczna piłka plażowa, Pathfinder w końcu się zatrzymał, poduszki powietrzne wypuściły powietrze i lądownik otworzył się, aby umożliwić wynurzenie się łazika.
Choć może to zabrzmieć jak szalona strategia lądowania, zadziałało tak dobrze, że NASA postanowiła użyć większych wersji poduszek powietrznych do następnej misji łazika: dwóch identycznych łazików o nazwie Spirit i Opportunity. Łaziki eksploracyjne Mars (MER) są wielkości kosiarki do jazdy konnej, mają długość 5,2 stopy (1,6 metra) i ważą około 400 funtów (185 kilogramów). Duch wylądował z powodzeniem w pobliżu równika Marsa 4 stycznia 2004 r., A trzy tygodnie później Szansa odbiła się po drugiej stronie planety. Celem MER było znalezienie śladów wody z przeszłości na Marsie i oba łaziki trafiły w dziesiątkę. Spośród wielu odkryć, Okazja znalazła starożytne wychodnie skalne, które powstały w płynącej wodzie, a Duch odkrył niezwykłe skały krzemionkowe w kształcie kalafiora, które naukowcy wciąż badają, ale mogą one dostarczyć wskazówek na temat potencjalnego starożytnego życia na Marsie.
Niesamowicie, w tym piśmie (2016) łazik Opportunity nadal działa, prowadząc więcej niż maraton (26 mil / 42 km) i kontynuuje eksplorację Marsa na dużym kraterze o nazwie Endeavour. Duch jednak uległ utracie mocy podczas mroźnej zimy na Marsie w 2010 r. Po utknięciu w pułapce piasku. Dwa łaziki znacznie przeżyły przewidywany 90-dniowy okres użytkowania.
W jakiś sposób każdy z łazików rozwinął wyraźną „osobowość” - lub, być może, lepszym sposobem na wyrażenie tego jest to, że ludzie przydzielony osobowości robotów. Duch był problematycznym dzieckiem i królową dramatów, ale musiał walczyć o każde odkrycie; Opportunity, uprzywilejowana młodsza siostra i gwiazdorka, ponieważ nowe odkrycia wydawały jej się łatwe. Duch i okazja nie zostały zaprojektowane tak, by były urocze, ale urocze łaziki pobudziły wyobraźnię dzieci i doświadczonych kosmicznych weteranów. Kierownik projektu MER, John Callas, nazwał kiedyś bliźniacze „najsłodsze rzeczy w Układzie Słonecznym”. Kiedy długowieczni, dzielni łaziki przezwyciężyli zagrożenia i niebezpieczeństwa, każdego dnia wysyłali pocztówki z Marsa. I Ziemianie kochali je za to.
Ciekawość
Chociaż od dawna jest na naszej liście rzeczy do zrobienia, jeszcze nie wymyśliliśmy, jak wysłać ludzi na Marsa. Potrzebujemy większych i bardziej zaawansowanych rakiet i statków kosmicznych, lepszej technologii do takich rzeczy, jak podtrzymywanie życia i hodowanie własnego jedzenia, a tak naprawdę nie mamy możliwości wyładowania bardzo dużych ładunków potrzebnych do stworzenia ludzkiej osady na Marsie.
Ale w międzyczasie - podczas gdy próbujemy to wszystko rozgryźć - wysłaliśmy robotyczny odpowiednik ludzkiego geologa na Czerwoną Planetę. Łazik Curiosity wielkości samochodu jest uzbrojony w szereg siedemnastu kamer, wiertarki, miarki, obiektywu ręcznego, a nawet lasera. Narzędzia te przypominają sprzęt używany przez geologów do badania skał i minerałów na Ziemi. Dodatkowo łazik ten naśladuje ludzką aktywność poprzez wspinaczkę górską, jedzenie (w przenośni), wyginanie (zrobotyzowanego) ramienia i robienie selfie.
Ten wędrujący robot geolog jest także mobilnym laboratorium chemicznym. W sumie dziesięć instrumentów na łaziku pomaga w poszukiwaniu węgla organicznego, który może wskazywać na surowce potrzebne do życia, i „wącha” marsjańskie powietrze, próbując wąchać gazy takie jak metan - które mogą być oznaką życia -. Ramię robota Curiosity zawiera szwajcarski scyzoryk gadżetów: powiększającą kamerę podobną do soczewki, spektrometr do pomiaru pierwiastków chemicznych oraz wiertło do wiercenia w skałach i podawania próbek do laboratoriów o nazwie SAM (Sample Analysis at Mars) i) oraz CheMin (Chemia i mineralogia). Laser ChemCam może odparowywać skały z odległości do 7 metrów (23 stóp) i identyfikować minerały na podstawie spektrum światła emitowanego przez piaskowaną skałę. Stacja pogodowa i monitor promieniowania dopełniają urządzenia na pokładzie.
Dzięki tym kamerom i instrumentom łazik staje się oczami i rękami międzynarodowego zespołu około 500 naukowców z Ziemi.
Podczas gdy poprzednie łaziki Mars wykorzystywały tablice słoneczne do gromadzenia światła słonecznego w celu uzyskania energii, Curiosity wykorzystuje RTG, takie jak Nowe Horyzonty. Energia elektryczna wytwarzana z RTG wielokrotnie zasila akumulatory litowo-jonowe, a ciepło RTG jest również odprowadzane do podwozia łazika, aby utrzymać ciepło wewnętrznej elektroniki.
Biorąc pod uwagę rozmiar i wagę Curiosity, system lądowania poduszek powietrznych stosowany w poprzednich łazikach nie wchodził w rachubę. Jak wyjaśnił inżynier NASA Rob Manning: „Nie możesz odbić czegoś tak dużego”. Sky Crane to śmiałe rozwiązanie.
Misja Ciekawość: dowiedz się, jak Mars ewoluował przez miliardy lat i ustal, czy kiedyś był - a nawet teraz - w stanie utrzymać życie mikrobiologiczne.
Cel ciekawości do eksploracji: naukowcy z górskich Marsa o wysokości 3,4 mili nazywają Mt. Sharp (formalnie znany jako Aeolis Mons), który znajduje się pośrodku krateru Gale, dorzecza uderzeniowego o średnicy 96 mil (155 km).
Gale wybrano z 60 stron kandydujących. Dane z orbitujących statków kosmicznych wykazały, że góra ma dziesiątki warstw skał osadowych, być może zbudowanych przez miliony lat. Te warstwy mogą opowiadać historię geologiczną i klimatyczną Marsa. Dodatkowo, zarówno góra, jak i krater wydają się mieć kanały i inne cechy, które wyglądają, jakby zostały wyrzeźbione przez płynącą wodę.
Plan: MSL wyląduje w niższej, bardziej płaskiej części krateru i ostrożnie posunie się w górę w kierunku góry, badając każdą warstwę, zasadniczo biorąc udział w epokach historii geologicznej Marsa.
Najtrudniejsze byłoby dotarcie tam. A zespół MSL miał tylko jedną szansę, aby to dobrze zrobić.
Noc lądowania
Lądowanie z ciekawości 5 sierpnia 2012 r. Było jednym z najbardziej oczekiwanych wydarzeń związanych z eksploracją kosmosu w najnowszej historii. Miliony ludzi oglądało wydarzenia rozgrywające się w Internecie i telewizji, a kanały społecznościowe są pełne aktualizacji. Kanał NASA TV z kontroli misji JPL był transmitowany na żywo na ekranach na nowojorskim Time Square oraz w miejscach na całym świecie, w których organizowane są „imprezy z desantem”.
Ale epicentrum akcji miało miejsce w JPL, gdzie setki inżynierów, naukowców i urzędników NASA zebrało się w JPL Space Space Operations Facility. Zespół EDL - wszyscy w pasujących jasnoniebieskich koszulkach polo - monitorowali konsole komputerowe podczas kontroli misji.
Dwóch członków zespołu wyróżniało się: prowadzący zespół EDL Adam Steltzner - który nosi włosy w stylu podobnym do Elvisa pompadour - chodził tam iz powrotem między rzędami konsol. Dyrektor lotu Bobak Ferdowski miał sportowe i wyszukane gwiazdy i paski Mohawk. Oczywiście w XXI wieku egzotyczne fryzury zastąpiły czarne okulary i ochraniacze kieszeni dla inżynierów NASA z lat 60.
W momencie lądowania Ashwin Vasavada był jednym z najdłużej pracujących naukowców w zespole misyjnym, dołączył do MSL jako zastępca naukowca projektu w 2004 r., Gdy łazik był w budowie. Wtedy duża część pracy Vasavady polegała na współpracy z zespołami instrumentów, aby sfinalizować cele ich instrumentów i nadzorować zespoły techniczne, aby pomóc w opracowaniu instrumentów i zintegrowaniu ich z łazikiem.
Każdy z dziesięciu wybranych instrumentów przyniósł zespół naukowców, więc wraz z inżynierami, dodatkowym personelem i studentami setki osób przygotowywało łazik do startu. Vasavada pomagał koordynować każdą decyzję i modyfikację, które mogą wpłynąć na ostateczną naukę na Marsie. Jednak podczas lądowania mógł jedynie obserwować.
„Byłem w pokoju obok pokoju kontrolnego, który był pokazywany w telewizji”, powiedział Vasavada. „Do lądowania nie mogłem nic zrobić poza uświadomieniem sobie ostatnich ośmiu lat mojego życia i całą moją przyszłością jechałem na tych siedmiu minutach EDL.”
Dodatkowo fakt, że nikt nie znał prawdziwego losu łazika, aż do 13 minut po fakcie z powodu opóźnienia radiowego, doprowadził do poczucia bezradności dla wszystkich w JPL.
„Chociaż siedziałem na krześle”, dodał Vasavada, „myślę, że byłem mentalnie zwinięty w pozycji embrionalnej”.
Gdy Curiosity przyspieszyła bliżej Marsa, trzy inne weterany statku kosmicznego, krążące już wokół planety, przesunęły się na pozycję, aby móc obserwować przybysza MSL, gdy przesyłał informacje o jego statusie. Początkowo MSL komunikował się bezpośrednio z antenami Deep Space Network (DSN) na Ziemi.
Aby telemetria ze statku kosmicznego była maksymalnie usprawniona podczas EDL, Curiosity wysłało 128 prostych, ale wyraźnych dźwięków wskazujących, kiedy zostały aktywowane kroki w procesie lądowania. Allen Chen, inżynier z pokoju kontrolnego, ogłosił, że przybyli: jeden dźwięk wskazywał, że sonda weszła w atmosferę Marsa; inny zasygnalizował, że pędniki wystrzeliły, kierując statek kosmiczny w kierunku Krateru Gale. Wczesne tony przyłączyły się do zespołu z Kontroli Misji z uśmiechem, a emocje narastały w miarę zbliżania się statku kosmicznego do powierzchni.
W połowie zejścia MSL zszedł poniżej horyzontu marsjańskiego, uniemożliwiając mu komunikację z Ziemią. Ale trzy orbity - Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter i Mars Express - były gotowe do przechwytywania, rejestrowania i przekazywania danych do DSN.
Płynne tony docierały na Ziemię, gdy każdy krok lądowania przebiegał bezbłędnie. Spadochron wystartował. Osłona termiczna opadła. Dźwięk zasygnalizował, że stopień zejścia łazika puszcza spadochron, kolejny oznacza lot z silnikiem i zejście w kierunku powierzchni. Kolejny ton oznaczał, że Sky Crane zaczął opuszczać łazik na powierzchnię.
Nadszedł sygnał wskazujący, że koła Ciekawości dotknęły powierzchni, ale nawet to nie oznaczało sukcesu. Zespół musiał się upewnić, że manewr latania Sky Crane zadziałał.
Potem nadszedł ton, na który czekali: „Przyłożenie potwierdzone”, wiwatował Chen. „Jesteśmy bezpieczni na Marsie!”
Pandemonium i radość wybuchły podczas kontroli misji JPL, na stronach zwiadu oraz w mediach społecznościowych. Wyglądało na to, że świat świętował razem w tym momencie. Przekroczenia kosztów, opóźnienia, wszystkie negatywne rzeczy, które kiedykolwiek powiedziały o misji MSL, zniknęły wraz z triumfem lądowania.
„Witamy na Marsie!” Charles Elachi, dyrektor Laboratorium Napędu Odrzutowego, powiedział na konferencji prasowej po dramatycznym przyziemieniu: „Tej nocy wylądowaliśmy, jutro zaczynamy eksplorację Marsa. Nasza ciekawość nie ma granic. ”
„Siedem minut faktycznie minęło naprawdę szybko”, powiedział Vasavada. „To się skończyło, zanim się zorientowaliśmy. Potem wszyscy podskakiwali w górę i w dół, mimo że większość z nas wciąż się nad tym zastanawiała.
To, że lądowanie poszło tak dobrze - a właściwie idealnie - mogło zszokować część członków JPL. Choć kilkakrotnie ćwiczyli lądowanie z ciekawości, co zaskakujące, nigdy nie byli w stanie wylądować pojazdu w swoich symulacjach.
„Próbowaliśmy to bardzo dokładnie przećwiczyć”, powiedział Vasavada, „aby wszystko było zsynchronizowane - zarówno symulowana przez nas telemetria pochodząca ze statku kosmicznego, jak i utworzone animacje w czasie rzeczywistym. To była dość skomplikowana sprawa, ale tak naprawdę nigdy nie działała. Tak więc rzeczywiste lądowanie było pierwszym działaniem. ”
Ciekawość została zaprogramowana do natychmiastowego robienia zdjęć otoczenia. W ciągu dwóch minut od lądowania pierwsze obrazy zostały przesłane na Ziemię i pojawiły się na ekranach oglądania w JPL.
„Podczas lądowania zaplanowaliśmy przelot orbit, ale nie byliśmy pewni, czy ich łącznik przekaźnikowy wystarczy na tyle długo, aby zrzucić pierwsze zdjęcia” - powiedział Vasavada. „Te pierwsze zdjęcia były dość beznadziejne, ponieważ osłony ochronne wciąż były na aparatach, a pędniki wyrzuciły z nich dużo kurzu. Naprawdę nie widzieliśmy tego bardzo dobrze, ale mimo to skakaliśmy w górę i w dół, ponieważ były to zdjęcia z Marsa. ”
O dziwo, jedno z pierwszych zdjęć pokazało dokładnie, co łazik został wysłany na studia.
„Wylądowaliśmy z aparatami skierowanymi bezpośrednio na Mt. Ostre - powiedział Vasavada, kręcąc głową. „Na obrazie HazCam (kamera hazardowa), tuż między kołami, mieliśmy ten wspaniały strzał. Była góra. To było jak podgląd całej misji, tuż przed nami. ”
Jutro: Część 2 „Wędrującego Marsa z ciekawością” z „Living on Mars Time” i „Discoveries”
„Niesamowite historie z kosmosu: spojrzenie zza kulis na misje zmieniające nasze spojrzenie na kosmos” zostało opublikowane przez Page Street Publishing, spółkę zależną Macmillan.
