Следва откъс от новата ми книга „Невероятни истории от космоса: Зад кулисите вижте мисиите, променящи представата ни за Космоса“, която ще излезе утре, декември. Книгата е вътрешен поглед към няколко актуални Роботически мисии на НАСА и този откъс е част от 3 от 3, които ще бъдат публикувани тук в сп. „Космос“, на глава 2, „Roving Mars with Curiosity.“ Книгата е достъпна за поръчка на Amazon и Barnes & Noble.
Седем минути на ужаса
Необходими са приблизително седем минути, за да може космически кораб с умерен размер - като роувър или роботизиран кацател - да се спусне през атмосферата на Марс и да достигне повърхността на планетата. През тези кратки минути космическият кораб трябва да намали скоростта си от около 13 000 мили в час (20 900 км / ч), за да се докосне само с 2 мили / ч или по-малко.
Това изисква поредица от събития, подобни на Рубе Голдбърг, да се провеждат в перфектна последователност, с прецизна хореография и време. И всичко това трябва да се случи автоматично през компютър, без да има принос от никого на Земята. Няма начин да управляваме космическия кораб отдалечено от нашата планета, на разстояние около 250 милиона мили (250 милиона км). На това разстояние времето за забавяне на радиосигнала от Земята до Марс отнема над 13 минути. Следователно, когато приключи седемминутното спускане, всички онези събития са се случили - или не са се случили - и никой на Земята не знае кои. Или космическият ви кораб седи великолепно на повърхността на Марс, или лежи в разбита грамада.
Ето защо учените и инженерите от мисиите до Марс го наричат „Седем минути на терора“.
И с мисията Mars Science Laboratory (MSL), която стартира от Земята през ноември 2011 г., страхът и трепетът за това, което официално се нарича „влизане, слизане и кацане“ (EDL), нарастват експоненциално. MSL разполага с 1-тонен (900 кг), 6-колесен ровер, наречен Curiosity, и този роувър щеше да използва чисто нова, непроверена система за кацане.
Към днешна дата всички десанти на Марс и роувъри са използвали - за ред - вход с насочен ракета, топлинен щит за защита и забавяне на превозното средство, а след това парашут, последван от тласъци, за да забавят още повече превозното средство. Любопитството би използвало и тази последователност. Обаче, един основен компонент обхваща едно от най-сложните устройства за кацане, които някога са летели.
Озаглавен „Sky Crane“, летяща ракетна сцена би спуснала роувъра на 66 фута (20 метра) кабели на Vectran въже като рапиращ алпинист, като роувърът ще се приземи директно върху колелата си. Всичко това трябваше да бъде завършено за броени секунди и когато бордовият компютър усети докосването, пиротехниката ще разкъса въжетата и летящият етап на спускане ще се отдалечи с пълен газ, за да се разбие далеч от любопитството.
Още повече усложняваше въпроса, този роувър щеше да опита най-прецизното кацане извън света, като се спусна вътре в кратер до планината на височината на планината Рание.
Основна част от несигурността беше, че инженерите никога не могат да тестват цялата система за кацане заедно, последователно. И нищо не би могло да симулира бруталните атмосферни условия и по-лека гравитация, присъстващи на Марс, освен да е на самия Марс. Тъй като истинското кацане ще бъде за първи път, когато се използва пълнокраен Sky Crane, имаше въпроси: Ами ако кабелите не се разделят? Какво става, ако етапът на спускане продължи да се спуска право върху върха?
Ако Sky Crane не работи, това би било игра за мисия, която вече е преодоляла толкова много: технически проблеми, закъснения, надвишаване на разходите и гнева на критиците, които казаха, че този марсоход на 2,5 милиона долара кърви пари от останалата част от програмата за проучване на планетата на НАСА.
Мисии до Марс
Със своето червено сияние в нощното небе Марс привлича небесни наблюдатели от векове. Като най-близката планета до Земята, която предлага какъвто и да е потенциал за бъдещи мисии на хора или колонизация, тя представлява голям интерес в епохата на космическите проучвания. Към днешна дата на Червената планета са изстреляни над 40 роботизирани мисии ... или по-точно, мисии с 40 плюс опит.
Включително всички американски, европейски, съветски / руски и японски усилия, повече от половината мисии на Марс се провалят, било поради старт катастрофа, неизправност по пътя към Марс, несъгласен опит за изплъзване в орбита или катастрофално кацане. Докато последните мисии имат по-голям успех от първите ни пионерски опити за изследване на Марс in situ (на място), космическите учени и инженерите се шегуват само частично, когато говорят за неща като „Големият галактически герой“ или „Марсовото проклятие“, объркващо мисии.
Но имаше и прекрасни успехи. Ранните мисии през 60-те и 70-те години като орбитите на Маринер и викингите ни показаха поразително красив, макар и безплоден и скалист свят, като по този начин разруши всякакви надежди за „малки зелени мъже“ като нашите планетарни съседи. Но по-късните мисии разкриха дихотомия: великолепна пустота, съчетана с досадни намеци за минало - или може би дори и днешно време - вода и глобална активност.
Днес повърхността на Марс е студена и суха, а тънката му шепота атмосфера не предпазва планетата от бомбардиране на радиация от Слънцето. Но индикациите са условията на Марс не винаги са били по този начин. От орбитата се виждат канали и сложни системи на долината, които изглежда са издълбани от течаща вода.
Десетилетия наред планетарните учени обсъждат дали тези особености са се образували по време на кратки мокри периоди, причинени от катаклизмични събития, като масивен удар с астероиди или внезапно климатично бедствие, или ако са се образували в продължение на милиони години, когато Марс може да е бил непрекъснато топъл и мокър. Голяма част от доказателствата досега са нееднозначни; тези характеристики можеха да се формират по всякакъв начин. Но преди милиарди години, ако имаше реки и океани, точно както на Земята, животът можеше да се хване.
Роувърите
Роувърът Curiosity е четвъртият мобилен космически кораб, който НАСА изпрати на повърхността на Марс. Първият е 23-фунтов (10,6 кг) ровер на име Sojourner, който кацна на покрита с скали марсианска равнина на 4 юли 1997 г. За размера на микровълновата фурна, 2-футовият (65 см) дълъг Sojourner никога не е преминал на повече от 40 фута от неговата земя и базова станция. Роувърът и кацателят заедно съставляваха мисията на Pathfinder, която се очакваше да продължи около седмица. Вместо това, тя продължи близо три месеца и дуетът върна 2,6 гигабита данни, измъквайки повече от 16 500 изображения от кацателя и 550 изображения от роувъра, както и химически измервания на скали и почва и изучаване на атмосферата и времето на Марс. Той идентифицира следи от по-топло и влажно минало на Марс.
Мисията се осъществи, когато Интернет тъкмо набира популярност и НАСА решава да публикува снимки от роувъра онлайн, веднага след като са били излъчени на Земята. Това се оказа едно от най-големите събития в историята на младия Интернет, като уебсайтът на НАСА (и огледалните сайтове, създадени за високото търсене) получи над 430 милиона посещения през първите 20 дни след кацането.
Pathfinder също използва необичайна система за кацане. Вместо да използват тласъци, за да се докоснат до повърхността, инженерите измислиха система от гигантски въздушни възглавници за обграждане и защита на космическия кораб. След като се използва конвенционалната система на вход с ракета, топлинен щит, парашути и тласкачи, въздушните възглавници се надуват и какавидираната каца се спуска от 100 фута (30 м) над земята. Подскачайки няколко пъти по повърхността на Марс като гигантска плажна топка, Pathfinder в крайна сметка спря, въздушните възглавници се изпаднаха и кацателят се отвори, за да позволи на роувъра да се появи.
Въпреки че това може да звучи като луда стратегия за кацане, тя работи толкова добре, че НАСА реши да използва по-големи версии на въздушните възглавници за следващата мисия на роувър: два еднакви ровера с име Spirit and Opportunity. Марсовете за проучване на Марс (MER) са с размерите на ездачна косачка, с дължина 5,2 фута (1,6 метра), тежаща около 400 фунта (185 килограма). Дух кацна успешно близо до екватора на Марс на 4 януари 2004 г., а три седмици по-късно Opportunity отскочи от другата страна на планетата. Целта на MER беше да открие доказателства за минала вода на Марс и двамата гребци удариха джакпота. Сред много находки, Opportunity откри древни скални отклонения, които са се образували в течаща вода, а Spirit откри необичайни силициеви скали с форма на карфиол, които учените все още изучават, но те могат да дадат улики в потенциалния древен марсиански живот.
Невероятно е, че при това писане (2016) роувърът Opportunity все още работи, карайки повече от маратон (26 мили / 42 км) и той продължава да изследва Марс в голям кратер, наречен Endeavor. Духът обаче се поддаде на загуба на сила през студената марсианска зима през 2010 г., след като се заби в пясъчна капан. Двамата гребци далеч надминаха планирания си 90-дневен живот.
Някак си всеки от роувърите е развил различна „личност“ - или може би по-добър начин да се изрази това, че хората възложени личности към роботите. Духът беше проблемно дете и кралица на драмата, но трябваше да се бори за всяко откритие; Възможност, привилегирована по-млада сестра и звезден изпълнител, тъй като изглеждаха нови открития за нея. Духът и възможността не бяха проектирани да бъдат очарователни, но очарователните гребци уловиха въображението на децата и на сезонните космически ветерани. Ръководителят на проекта на MER Джон Калас веднъж нарече близнаците „най-сладките проклети неща в Слънчевата система“. Тъй като дълготрайните, причудливи гребци преодоляват опасностите и опасностите, те изпращаха пощенски картички от Марс всеки ден. И Земляните ги обичаха заради това.
Любопитство
Въпреки че отдавна е в нашия списък със задачи, все още не сме измислили как да изпратим хората на Марс. Нуждаем се от по-големи и усъвършенствани ракети и космически кораби, по-добра технология за неща като поддържане на живот и отглеждане на собствена храна и всъщност нямаме способността да приземяваме много големите полезни товари, необходими за създаването на човешко селище на Марс.
Но междувременно - докато се опитваме да разберем всичко това - изпратихме робот-еквивалент на човешки геолог на Червената планета. Роувърът Curiosity с размер на автомобила е въоръжен с масив от седемнадесет камери, тренировка, лъжичка, ръчен обектив и дори лазер. Тези инструменти приличат на оборудване, което геолозите използват за проучване на скали и минерали на Земята. Освен това, този роувър имитира човешката дейност чрез катерене на планина, хранене (образно казано), огъване на (роботизираната) ръка и правене на селфи.
Този въртящ се роботизиран геолог е и мобилна лаборатория по химия. Общо десет инструмента на роувъра помагат за търсенето на органичен въглерод, който може да показва суровината, необходима за живота, и да „подуши“ марсианския въздух, опитвайки се да мирише, ако има газове като метан - което може да е знак за живот. Роботизираната ръка на Curiosity носи нож от приспособления на швейцарската армия: увеличаваща камера, подобна на леща, спектрометър за измерване на химически елементи и тренировка за пробиване в скалите и подаване на проби в лабораториите, наречени SAM (Sample Analysis at Mars) и) и CheMin (Химия и минералогия). ChemCam лазерът може да изпарява скалата на разстояние до 23 фута (7 метра) и да идентифицира минералите от спектъра на светлината, излъчвана от взривената скала. Метеорологичната станция и радиационният монитор закръглят устройствата на борда.
С тези камери и инструменти, роувърът се превръща в очите и ръцете на международен екип от около 500 учени.
Докато предишните марсоходи са използвали слънчеви масиви, за да събират слънчева светлина за захранване, Curiosity използва RTG като New Horizons. Електроенергията, генерирана от RTG, многократно захранва акумулаторни литиево-йонни батерии, а топлината на RTG също се вкарва в шасито на Rover, за да се затопли вътрешната електроника.
С размерите и теглото на Curiosity системата за кацане на въздушните възглавници, използвана от предишните гребци, не беше под въпрос. Както обясни инженерът от НАСА Роб Манинг, „Не можете да отскочите нещо толкова голямо.“ Sky Crane е смело решение.
Мисията на любопитството: разберете как еволюира Марс през милиарди години и определете дали някога е бил - или дори сега е - способен да поддържа живота на микробите.
Целта на любопитството за изследване: планински учени на Марс на 3,4 мили (5,5 км) наричат Mt. Остър (формално известен като Aeolis Mons), който седи в средата на Гале Кратер, 96-мили (155 км) диаметър на удара.
Гейл беше избран от 60 кандидат-сайтове. Данните от орбиталния космически кораб определят, че планината има десетки слоеве утаечна скала, може би построена за милиони години. Тези слоеве могат да разкажат историята на геоложката и климатичната история на Марс. Освен това изглежда, че планината и кратерът имат канали и други функции, които изглеждат като издялани от течаща вода.
Планът: MSL ще кацне в по-ниска, по-плоска част на кратера и внимателно ще извърви пътя си нагоре към планината, изучавайки всеки слой, като същевременно ще обиколи епохите на геоложката история на Марс.
Най-трудната част щеше да бъде там. А екипът на MSL имаше само един шанс да се оправи.
Кацателна нощ
Кацането на любопитството на 5 август 2012 г. беше едно от най-очакваните събития за космическо проучване в най-новата история. Милиони хора гледат събития, които се развиват онлайн и по телевизията, като емисиите в социалните медии бръмчат с актуализации. Храна на НАСА TV от контрола на мисията на JPL се излъчваше на живо по екраните в нюйоркския „Тайм Скуеър“ и в местата по целия свят, в които се провеждат „партита за кацане“.
Но епицентърът на действие беше в JPL, където стотици инженери, учени и служители на НАСА се събраха в механизма за космически полети на JPL. Екипът на EDL - всички носещи съответстващи светлосини поло ризи - следеше компютърните конзоли при контрол на мисията.
Двама членове на екипа се откроиха: ръководителят на екипа на EDL Адам Стелцнер - който носи косата си в подобен на Елвис помпадур - крачеше напред и назад между редиците на конзолите. Директорът на полета Бобак Фердовски сподери и сложни звезди и ивици Mohawk. Очевидно е, че през двадесет и първи век екзотичните прически са заместили черните очила и джобните протектори от 1960 г. за инженерите от НАСА.
По време на кацането Ашвин Васавада беше един от най-дълго служилите учени в екипа на мисията, след като се присъедини към MSL като заместник-учен по проекта през 2004 г., когато роувърът беше в процес на изграждане. Тогава голяма част от работата на Васавада беше работа с инструменталните екипи за финализиране на целите на техните инструменти и надзор на технически екипи, които да помогнат за разработването на инструментите и интегрирането им с роувъра.
Всеки от десетте избрани инструмента донесе екип от учени, така че с инженери, допълнителен персонал и студенти имаше стотици хора, които подготвиха роувъра за стартиране. Васавада помогна за координирането на всяко решение и модификация, които биха могли да повлияят на евентуалната наука, направена на Марс. По време на кацането обаче всичко, което можеше да направи, е да наблюдава.
„Бях в стаята в съседство с контролната зала, която се показваше по телевизията“, каза Васавада. „За кацането нямаше нищо, което можех да направя, освен да осъзная последните осем години от живота си и цялото ми бъдеще се вози на онези седем минути EDL.“
Плюс това фактът, че никой няма да разбере истинската съдба на роувъра до 13 минути след факта поради времето на забавяне на радиото, доведе до чувство на безпомощност за всички в JPL.
"Въпреки че седях на стол", добави Васавада, "мисля, че бях умствено свит в положение на плода."
Докато Curiosity минаваше по-близо до Марс, три други ветерански космически кораба, които вече обикалят около планетата, се придвижваха в положение, за да могат да следят новодошлия MSL, докато предаваха информация за неговия статус. Отначало MSL комуникира директно с антените на Deep Space Network (DSN) на Земята.
За да направи телеметрията от космическия кораб възможно най-рационална по време на EDL, Curiosity изпрати 128 прости, но различни тона, указващи кога са активирани стъпки в процеса на кацане. Алън Чен, инженер в контролната зала, обяви всеки, когато дойдоха: един звук показваше, че космическият кораб е влязъл в атмосферата на Марс; друг сигнализира, че дроселите са стреляли, насочвайки космическия кораб към Гале Кратер. Ориентирното ръкопляскане и усмивки дойдоха от екипа на „Мисия Контрол“ в ранните тонове, като емоциите се увеличаваха, когато космическият кораб се приближаваше все по-близо до повърхността.
По време на спускането MSL премина под марсианския хоризонт, изваждайки го от комуникацията със Земята. Но трите орбити - Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter и Mars Express - бяха готови да заснемат, записват и предават данни на DSN.
Безпроблемно тоновете продължаваха да идват на Земята, докато всяка стъпка от кацането продължаваше безупречно. Парашутът се разгърна. Топлинният щит отпадна. Тон сигнализираше за спускане на сцената, носещ роувъра да пусне парашута, друг посочен мощен полет и слизане към повърхността. Друг тон означаваше, че Sky Crane започва да спуска ровера на повърхността.
Пристигна тон, показващ, че колелата на Curiosity докоснаха повърхността, но дори това не означаваше успех. Екипът трябваше да се увери, че маневрата на Sky Crane работи.
След това дойде тонът, който те чакаха: „Тъчдаун потвърден“, развесели Чен. "На Марс сме в безопасност!"
Пандемониумът и радостта избухнаха в контрола на мисията на JPL, на сайтовете за кацане и в социалните медии. Изглежда светът празнува заедно в този момент. Превишаването на разходите, закъсненията, всички отрицателни неща, които някога се казваха за мисията на MSL, сякаш изчезнаха с триумфа на кацането.
"Добре дошли на Марс!" Директорът на лабораторията за реактивни двигатели Чарлз Елачи каза на пресконференция след драматичното прекъсване: „Тази вечер кацнахме, утре започваме проучване на Марс. Любопитството ни няма граници. "
„Седемте минути всъщност минаха много бързо“, каза Васавада. „Беше свършено преди да го разберем. Тогава всички скачаха нагоре-надолу, въпреки че повечето от нас все още обработваха, че това премина толкова успешно. "
Това, че приземяването премина толкова добре - наистина перфектно - може всъщност да шокира част от екипа на JPL. Докато те репетираха Curiosity при кацането няколко пъти, забележително е, че те никога не успяха да кацнат превозното средство в своите симулации.
„Опитахме се да го репетираме много точно“, каза Васавада, „така че всичко беше в синхрон - както телеметрията, която бяхме симулирали, да идва от космическия кораб, така и анимациите в реално време, които бяха създадени. Това беше доста сложно нещо, но всъщност никога не работеше. Така че истинското, действително кацане беше първият път, когато всичко работеше както трябва. “
Любопитството беше програмирано веднага да направи снимки на неговата околност. В рамките на две минути след кацането, първите изображения бяха излъчени на Земята и изскочиха на екраните за гледане на JPL.
„Бяхме настроили орбитите да прелетят по време на кацането, но не знаехме със сигурност дали тяхната релейна връзка ще продължи достатъчно дълго, за да намали първоначалните снимки“, каза Васавада. „Първите снимки бяха доста капризни, защото защитните калъфи все още бяха на камерите, а дроселите бяха изхвърлили много прах по кориците. Наистина не можахме да го видим много добре, но въпреки това все пак скачахме нагоре и надолу, защото това бяха снимки от Марс. "
Удивително е, че една от първите снимки показа точно какво е изпратен да проучи роувърът.
„Бяхме кацнали с камерите, които са изправени директно към Mt. Рязко - каза Васавада и поклати глава. „В изображението на HazCam (опасна камера), точно между колелата, направихме тази великолепна снимка. Там беше планината. Това беше като предварителен преглед на цялата мисия, точно пред нас. “
Утре: Част 2 на „Roving Mars With Curiosity“, с „Живеене на Марсово време“ и „Открития“
„Невероятни истории от космоса: поглед зад кулисите на мисиите, променящи представата ни за Космоса“ се публикува от Page Street Publishing, филиал на Macmillan.
