Как осуществляется связь с марсоходом кьюриосити. Открытия curiosity

Итак, как же можно связаться с ровером, находящимся на Марсе? Вдумайтесь - даже когда Марс находится на наименьшем расстоянии от Земли, сигналу нужно преодолеть пятьдесят пять миллионов километров! Это действительно огромное расстояние. Но как же маленькому, одинокому марсоходу удается передавать свои научные данные и прекрасные полноцветные изображения так далеко и в таком количестве? В самом первом приближении, это выглядит примерно вот так (я очень старался, правда):

Итак, в процессе передачи информации участвуют, обычно, три ключевые «фигуры» - один из центров космической связи на Земле, один из искусственных спутников Марса, и собственно, сам марсоход. Давайте начнем со старушки Земли, и поговорим о центрах космической связи DSN (Deep Space Network).

Станции космической связи

Любая из космических миссий NASA рассчитана на то, что связь с космическим аппаратом должна быть возможна 24 часа в сутки (ну или по крайней мере всегда, когда она может быть возможна в принципе ). Поскольку, как нам известно, Земля довольно быстро вращается вокруг собственной оси, для обеспечения непрерывности сигнала необходимо несколько точек для приема/передачи данных. Именно такими точками и являются станции DSN. Они расположены на трех континентах и удалены друг от друга примерно на 120 градусов долготы, что позволяет им частично перекрывать зоны действия друг друга, и, благородя этому, «вести» космический аппарат 24 часа в сутки. Для этого, когда космический аппарат выходит из зоны действия одной из станций, его сигнал перебрасывается ну другую.

Один из комплексов DSN находится в США (Goldstone complex), второй - в Испании (около 60 километров от Мадрида), а третий - в Австралии (примерно в 40 километрах от Канберры).

Каждый из этих комплексов имеет собственный набор антенн, но по функциональности все три центра примерно равны. Сами антенны называются DSS (Deep Space Stations), и имеют собственную нумерацию - антенны в США имеют номера 1X-2X, антенны в Австралии - 3Х-4Х, а в Испании - 5Х-6Х. Так что, если вы услышите где-то «DSS53», то можете быть уверены, что речь идет об одной из испанских антенн.

Для связи с марсоходами чаще всего используется комплекс в Канберре, поэтому давайте поговорим о нем чуть подробнее.

У комплекса есть свой сайт , на котором можно найти довольно много интересной информации. Например, совсем скоро - 13 апреля этого года - исполнится 40 лет антенне DSS43.

Всего, на настоящий момент, станция в Канберре имеет три активные антенны: DSS-34 (диаметром 34 метра), DSS-43 (впечатляющие 70 метров) и DSS-45 (снова 34 метра). Разумеется, за годы работы центра были использованы и другие антенны, которые по разным причинам были выведены из эксплуатации. Например, самая первая антенна - DSS42 - была снята с использования в декабре 2000 года, а DSS33 (диаметром 11 метров) была списана в феврале 2002, после чего перевезена в Норвегию в 2009, чтобы продолжить свою работу уже в роли инструмента для изучения атмосферы.

Первая из упомянутых работающих антенн, DSS34 , была построена в 1997 году и стала первым представителем нового поколения этих устройств. Ее отличительной особенностью является то, что оборудование для приема/передачи и обработки сигнала находится не непосредственно на тарелке, а в помещении под ней. Это позволило значительно облегчить тарелку, а также дало возможность обслуживать оборудования не останавливая работу самой антенны. DSS34 является антенной-рефлектором, схема ее работы выглядит примерно так:

Как видите, под антенной располагается помещение, в котором и проводится вся обработка полученного сигнала. У реальной антенны, эта комната находится под землей, так что на фотографиях вы ее не увидите.

DSS34, кликабельно

Передача:

X-диапазон (7145-7190 МГц)
S-диапазон (2025-2120 МГц)

Прием:

X-диапазон (8400-8500 МГц)
S-диапазон (2200-2300 МГц)
Ka-диапазон (31.8-32.3 ГГц)

Точность позиционирования: Скорость поворота:

2.0°/сек

Устойчивость к ветру:

Постоянный ветер 72км/ч
Порывы +88км/ч

DSS43 (у которой скоро юбилей) представляет собой гораздо более старый экземпляр, построенный в 1969-1973 годах, и претерпевший модернизацию в 1987 году. DSS43 - это самая большая подвижная параболическая антенна в южном полушарии нашей планеты. Массивная конструкция весом более 3000 тонн поворачивается на масляной пленке толщиной около 0.17 миллиметра. Поверхность тарелки состоит из 1272 алюминиевых панелей, и имеет площадь 4180 квадратных метров.

DSS43, кликабельно

немного технических характеристик

Передача:

X-диапазон (7145-7190 МГц)
S-диапазон (2025-2120 МГц)

Прием:

X-диапазон (8400-8500 МГц)
S-диапазон (2200-2300 МГц)
L-диапазон (1626-1708 МГц)
K-диапазон (12.5 ГГц)
Ku-диапазон (18-26 ГГц)

Точность позиционирования:

в пределах 0.005° (точность наводки на точку небосвода)
в пределах 0.25мм (точность перемещения самой антенны)

Скорость поворота:

0.25°/сек

Устойчивость к ветру:

Постоянный ветер 72км/ч
Порывы +88км/ч
Максимальная расчетная - 160км/ч

DSS45 . Эта антенна была закончена в 1986 году, и предназначена изначально для связи с Voyager 2, изучавшим Уран. Она вращается на круглом основании диаметром в 19.6 метра, используя для этого 4 колеса, два из которых являются ведущими.

DSS45, кликабельно

немного технических характеристик

Передача:

X-диапазон (7145-7190 МГц)

Прием:

X-диапазон (8400-8500 МГц)
S-диапазон (2200-2300 МГц)

Точность позиционирования:

в пределах 0.015° (точность наводки на точку небосвода)
в пределах 0.25мм (точность перемещения самой антенны)

Скорость поворота:

0.8°/сек

Устойчивость к ветру:

Постоянный ветер 72км/ч
Порывы +88км/ч
Максимальная расчетная - 160км/ч

Если говорить о станции космической связи в целом, то можно выделить четыре основные задачи, которые она должна выполнять:
Телеметрия - получать, декодировать и обрабатывать данные телеметрии, поступающие с космических аппаратов. Обычно эти данные состоят из научной и инженерной информации, передаваемой по радиоканалу. Система телеметрии получает данные, следит за их изменениями и соответствием норме, и передает их в системы валидации или научные центры, занимающиеся их обработкой.
Слежение - система слежения должна обеспечивать возможность двусторонней коммуникации между Землей и космическим аппаратом, и проводить расчеты его местоположения и вектора скорости для правильного позиционирования терелки.
Управление - дает специалистам возможность передавать управляющие команды на космический аппарат.
Мониторинг и контроль - позволяю контролировать и управлять системами самой DSN

Стоит отметить, что австралийская станция обслуживает на сегодняшний день около 45 космических аппаратов, так что расписание времени ее работы четко регламентировано, и получить дополнительное время не так-то просто. У каждой из антенн также имеется техническая возможность обслуживать до двух разных аппаратов одновременно.

Итак, данные, которые должны быть переданы на ровер, присылают на станцию DSN, откуда они отправляются в свое недолгое (от 5 до 20 минут) космическое путешествие к Красной Планете. Давайте теперь перейдем к рассмотрению самого ровера. Какие средства связи имеются у него?

Curiosity

Curiosity оснащен тремя антеннами, каждая из которых может использоваться и для приема и для передачи информации. Это UHF-антенна, LGA и HGA. Все они расположены на «спине» ровера, в различных местах.

HGA - High Gain Antenna
MGA - Medium Gain Antenna
LGA - Low Gain Antenna
UHF - Ultra High Frequency
Поскольку аббревиатуры HGA, MGA и LGA уже имеют в себе слово antenna, я не буду приписывать к ним это слово повторно, в отличие от аббревиатуры UHF.

Нас интересуют RUHF, RLGA, и High Gain Antenna

UHF-антенна используется чаще всего. С ее помощью, ровер может передавать данные через спутники MRO и Odyssey (о которых мы поговорим дальше) на частоте около 400 мегагерц. Использование спутников для передачи сигнала является предпочтительным из-за того, что они находятся в поле зрения DSN-станций гораздо дольше, чем сам ровер, одиноко сидящий на поверхности Марса. К тому же, поскольку они значительно ближе к марсоходу, последнему нужно затрачивать меньше энергии для передачи данных. Скорость передачи может достигать 256кб/с для Odyssey и до 2 мбит/с для MRO. Бо льшая часть информации, приходящей от Curiosity, проходит именно через спутник MRO. Сама UHF-антенна находится в задней части ровера, и внешне выглядит как серый цилиндр.

Curiosity также имеет HGA, которую он может использовать для получения команд напрямую с Земли. Эта антенна подвижна (ее можно направить в сторону Земли), то есть для ее использования роверу не приходится менять свое местоположение, достаточно просто повернуть HGA в нужную сторону, а это позволяет сохранять энергию. HGA смонтирована примерно посередине с левого борта ровера, и представляет собой шестигранник диаметром около 30 сантиметров. HGA может передавать данные прямо на Землю со скоростью около 160 бит/сек на 34-метровые антенны, или со скоростью до 800 бит/сек на 70-метровые.

Наконец, третья антенна - это так называемая LGA.
Она посылает и принимает сигналы в любых направлениях. Работает LGA в X-диапазоне (7-8 ГГц). Тем не менее, мощность этой антенны довольно мала, а скорость передачи оставляет желать лучшего. Из-за этого она в основном используется для приема информации, а не для ее передачи.
На фото LGA - это белая башенка на переднем плане.
На заднем плане видна UHF-антенна.

Стоит отметить, что марсоход генерирует огромное количество научных данных, и не всегда все их удается отправить. Специалисты NASA устанавливают приоритеты важности: информация с наибольшим приоритетом будет передана в первую очередь, а информация с меньшим приоритетом будет ждать следующего коммуникационного окна. Иногда часть наименее важных данных и вовсе приходится удалять.

Спутники Odyssey и MRO

Итак, мы выясняли, что обычно для связи с Curiosity необходимо «промежуточное звено» в виде одного из спутников. Благодаря этому удается увеличить время, в течение которого связь с Curiosity вообще возможна, а также увеличить скорость передачи, так как более мощные антенны спутников способны передавать на Землю данные с гораздо большей скоростью.

Каждый из спутников имеет два коммуникационных окна с марсоходом в каждый сол. Обычно эти окна достаточно коротки - всего несколько минут. В случае крайней необходимости, Curiosity может также связаться со спутником Европейского Космического Агентства Mars Express Orbiter.

Mars Odyssey

Mars Odyssey
Спутник Mars Odyssey был запущен в 2001 году и предназначен изначально для изучения строения планеты и поиска минералов. Спутник имеет размеры 2,2х2,6х1,7 метра и массу более 700 килограмм. Высота его орбиты колеблется от 370 до 444 километров. Этот спутник активно использовался предыдущими марсоходами: около 85 процентов данных, полученных со Spirit и Opportunity, были транслированы именно через него. Odyssey может общаться с Curiosity в UHF-диапазоне. Что касается средств коммуникации, у него имеются HGA, MGA (medium gain antenna), LGA и UHF-антенна. В основном, для передачи данных на Землю используется HGA, имеющая диаметр 1.3 метра. Передача ведется на частоте 8406 МГц, а прием данных осуществляется на частоте 7155 МГц. Угловой размер луча составляет порядка двух градусов.

Расположение инструментов спутника

Коммуникации с роверами осуществляются с помощью UHF-антенны на частотах 437 МГц (передача) и 401 МГц (прием), скорость обмена данными может составлять 8, 32, 128 или 256 кб/сек.

Mars Reconnaissance Orbiter

MRO

В 2006 году к спутнику Odyssey присоединился MRO - Mars Reconnaissance Orbiter, который сегодня является основным собеседником Curiosity.
Однако, помимо работы связиста, сам MRO имеет внушительный арсенал научных приборов, и, что самое интересное, оборудован камерой HiRISE, которая представляет собой, по сути, телескоп-рефлектор. Находясь на высоте 300 километров, HiRISE может делать снимки с разрешением до 0.3 метра на пиксель (для сравнения, спутниковые снимки Земли обычно доступны с разрешением около 0.5 метра на пиксель). MRO может также создавать стереопары поверхности с точностью до умопомрачительных 0.25 метров. Я настоятельно рекомендую вам ознакомиться хотя бы с несколькими снимками, которые доступны, например, . Чего стоит, например, вот это изображение кратера Виктория (кликабельно, оригинал около 5 мегабайт):

Предлагаю самым внимательным найти на изображении ровер Opportunity ;)

ответ (кликабельно)

Обратите внимание на то, что большинство цветных снимков сделаны в расширенном диапазоне, так что если вы наткнетесь на снимок, на котором часть поверхности будет ярко сине-зеленоватого цвета, не спешите заниматься конспирологией;) Зато вы можете быть точно уверены, что на разных снимках одинаковые породы будут иметь одинаковый цвет. Однако, вернемся к системам связи.

MRO оборудован четырьмя антеннами, которые по назначению совпадают с антеннами марсохода - это UHF-антенна, HGA и две LGA. Основная используемая спутником антенна - HGA - имеет диаметр три метра, и работает в X-диапазоне. Именно она используется для передачи данных на Землю. HGA также оборудована 100-ваттным усилителем сигнала.

1 - HGA, 3 - UHF, 10 - LGA (обе LGA смонтированны прямо на HGA)

Curiosity и MRO общаются с помощью UHF-антенны, коммуникационное окно открывается дважды в сол, и продолжается примерно 6-9 минут. MRO выделяет 5Гб в день для данных, полученных с роверов, и хранит их до тех пор, пока не окажется в зоне видимости одной из станций DSN на Земле, после чего передает данные туда. Передача данных к марсоходу осуществляется по такому же принципу. На хранение команд, которые должны быть переданы на марсоход, выделяется 30 Мб/сол.

Станции DSN ведут MRO по 16 часов в сутки (остальные 8 часов спутник находится с обратной стороны Марса, и не может вести обмен данными, так как закрыт планетой), 10-11 из которых он передает данные на Землю. Обычно спутник в течение трех дней в неделю работает с 70-метровой антенной DSN, и дважды - с 34-метровой антенной (к сожалению непонятно чем он занимается в оставшиеся два дня, но вряд ли у него есть выходные). Скорость передачи может варьироваться от 0,5 до 4 мегабит в секунду - она уменьшается при отдалении Марса от Земли и увеличивается при сближении двух планет. Сейчас (на момент публикации статьи) Земля и Марс находятся почти на максимальном расстоянии друг от друга, так что скорость передачи скорее всего не очень велика.

NASA утверждает (на сайте спутника есть специальный виджет), что за все время работы MRO передал на Землю более 187 терабит (!) данных - это больше, чем все аппараты, посланные в космос до него, вместе взятые.

Заключение

Итак, подведем итоги. При передаче управляющих команд на марсоход, происходит следующее:

Специалисты JPL отправляют команды на одну из станций DSN.
Во время сеанса связи с одним из спутников (скорее всего, это будет MRO), станция DSN передает ему набор команд.
Спутник сохраняет данные во внутренней памяти, и ожидает следующего коммуникационного окна с марсоходом.
Когда марсоход оказывается в зоне доступа, спутник передает ему управляющие команды.

При передаче данных с марсохода на Землю, все это происходит в обратном порядке:

Ровер хранит свои научные данные во внутренней памяти и ожидает ближайшего коммуникационного окна со спутником.
Когда спутник оказывается доступен, ровер передает ему информацию.
Спутник получает данные, сохраняет их в своей памяти, и ожидает доступности одной из станций DSN
Когда станция DSN становится доступна, спутник отправляет ей полученные данные.
Наконец, после получения сигнала, станция DSN декодирует его, и отправляет полученные данные тем, для кого они предназначены.

Надеюсь, мне удалось более-менее кратко описать процесс связи с Curiosity. Вся эта информация (на английском языке; плюс огромная куча дополнительной, включая, например, довольно подробные технические отчеты о принципах работы каждого из спутников) доступна на различных сайтах JPL, ее очень легко найти, если знать, что именно вас интересует.

Пожалуйста, сообщайте о всех ошибках и опечатках в личку!

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите , пожалуйста.

NASA запустила к Красной планете очередной марсоход. В отличие от проектов, связанных с этой планетой в нашей стране, американским исследователям удается довольно успешно осуществлять такие миссии. Напомним, российский аналог Curiosity – Фобос-Грунт потерпел фиаско из-за ошибки в программном обеспечении при выходе на околоземную орбиту.

Задачи миссии Curiosity. Curiosity это не просто марсоход. Проект осуществляется в рамках миссии Mars Science Laboratory и является платформой, на которой установлено множество научного оборудования, которое готовилось для решения нескольких задач.

Первая задача, которая стоит перед Curiosity, не оригинальна – поиск жизни на этой суровой планете. Для этого марсоходу нового поколения нужно будет обнаружить и изучить природу органических углеродных соединений. Найти такие вещества как водород, азот, фосфор, кислород, углерод и серу. Наличие таких веществ позволяет предположить о предпосылках зарождения жизни.

Кроме того, на Curiosity возлагают и другие задачи. Марсоход с помощью своего оборудования должен будет передать сведения о климате и геологии планеты, а так же провести подготовку к высадке человека.

Характеристики марсохода Curiosity. Curiosity имеет 3 метра в длину и 2,7 метра в ширину. Он оснащен шестью 51-см колесами. Каждое колесо работает от автономного электродвигателя. Передние и задние колеса помогут марсоходу повернуть в нужное направление. Благодаря особой конструкции и оптимальному диаметру, Curiosity способен преодолевать препятствие высотой 75 см и разгоняться до 90 метров в час.

Питание марсохода осуществляется за счет миниреактора. Заложенного в него плутония-238 хватит на 14 лет работы. От солнечных батарей решили отказаться из-за проблемы большого запыления атмосферы Марса.

Полет и посадка марсохода Curiosity. В качестве места посадки марсохода Curiosity был выбран кратер Гейла. Довольно ровное место, которое не должно преподнести проблемы.

На геостационарную орбиту марсоход вывела двухступенчатая ракета Atlantis-5 541. Откуда станция проследует до Марса. И тут начнется очень интересный момент – посадка Curiosity.

Атмосфера Марса довольна сложна. Ее плотные слои не позволяют посадочным двигателям корректировать этот процесс. Из-за чего была разработана довольно интересная технология, которая должна обойти эти трудности.

Во время входа в атмосферу Curiosity будет находиться в сложенном виде внутри специальной защитной капсулы. От высоких температур при вхождении в плотные слои атмосферы на большой скорости ее будет защищать специальное покрытие из углеродных волокон, пропитанных фенолформальдегидной смолой.

В плотной атмосфере Марса скорость аппарата снизится с 6 км/c до двукратной скорости звука. Сбрасываемые балласты откорректируют положение капсулы. Теплозащитное “покрывало” отстрелится и при скорости 470 м/c раскроется сверхзвуковой парашют.

При прохождении высоты 3,7 км над планетой, должна запуститься фотокамера, установленная в нижней части марсохода. Она снимет поверхность планеты, кадры высокой точности помогут избежать проблем с тем местом, куда Curiosity должен сесть.

Все это время парашют выполнял функцию тормоза, и на высоте 1,8 км над Красной планетой, марсоход отделяется от спускаемой установки, и дальнейшее снижение будет происходить при помощи платформы, которая снабжена посадочными двигателями.

Двигатели с переменной тягой корректируют положение платформы. В этот момент Curiosity должен успеть разложиться и подготовиться к посадке. Для того, чтоб этот процесс получился довольно плавным, была придумана еще одна технология – “летучий кран”.

“Летучий кран” это 3 троса, которые плавно опустят марсоход к поверхности планеты в то время как, платформа будет парить на высоте 7,5 метров.

Оборудование марсохода Curiosity. На марсоходе Curiosity установлено большое количество научного оборудования. Среди них есть и прибор, который разработали российские специалисты. Марсоход оснащен роботизированной рукой, которая довольно чувствительна. В нее вмонтированы бур, лопатка и другое оборудование, которое позволит собирать грунт и образцы пород.

На марсоходе установлено 10 приборов о некоторых из них, мы расскажем ниже.

MastCam – это камера, расположенная на высокой мачте над марсоходом. Она является глазами операторов, которые получая картинку на Земле, будут управлять аппаратом.

SAM – это масс-спектрометр, лазерный спектрометр и газовый хроматограф “в одном флаконе”, которые позволяют вести анализ проб грунта. Именно SAM должен найти органические соединения, азот, кислород и водород.

Роботизированная рука должна доставлять пробы в специальное место, на марсоходе, где их будет исследовать прибор SAM.

CheMin – еще один прибор для анализа пород. Он определяет химические и минеральные соединения.

CheCam – это самое интересное оборудование на борту марсохода Curiositi. Если говорить по-простому, то это лазер, которые способен растопить образцы грунта или скальных пород на расстоянии 9 метров от марсохода и исследовав пары, должен определить их структуру.

APXS – спектрометр который облучая образцы рентгеновским излучением и альфа-частицами сможет идентифицировать их. APXS располагается на роботизированной руке марсохода.

DAN – прибор разработанный нашими соотечественниками. Он способен определить наличие воды или льда даже на небольшой глубине под поверхностью планеты.

RAD – определит наличие радиоактивного излучения на планете.

REMS – чувствительная метеостанция на борту Curiosity.

Марсоход Curiosity это амбициозный проект человечества, который выведет нас на новый уровень изучения Марса. Посадка и изучение Красной планетой этим аппаратом, поможет ответить на два вопроса, которые давно не дают покоя человечеству: есть ли жизнь на Марсе и возможно ли колонизировать эту планету в ближайшем будущем.

Светящаяся на мониторах панорама составлена из кадров, присланных марсоходом на Землю. Голубое небо не должно обманывать: на Марсе оно тускло-желтое, но человеческому глазу привычнее оттенки, которые создаются светом, рассеянным нашей земной атмосферой. Поэтому снимки проходят обработку и отображаются в ненатуральных цветах, позволяя спокойно рассмотреть каждый камешек. «Геология — наука полевая, — объяснил нам профессор Имперского колледжа Лондона Санджев Гупта. — Мы любим пройтись по земле с молотком. Налить кофе из термоса, рассмотреть находки и отобрать самое интересное для лаборатории». На Марсе нет ни лабораторий, ни термосов, зато туда геологи отправили Curiosity, своего электронного коллегу. Соседняя планета интригует человечество давно, и чем больше мы ее узнаем, чем чаще обсуждаем будущую колонизацию, тем серьезнее основания для этого любопытства.

Когда-то Земля и Марс были очень похожи. Обе планеты имели океаны жидкой воды и, видимо, достаточно простой органики. И на Марсе, как на Земле, извергались вулканы, клубилась густая атмосфера, однако в один несчастливый момент что-то пошло не так. «Мы стараемся понять, каким было это место миллиарды лет назад и почему оно настолько изменилось, — сказал профессор геологии из Калифорнийского технологического института Джон Грётцингер в одном из интервью. — Мы полагаем, что там была вода, но не знаем, могла ли она поддерживать жизнь. А если могла, то поддерживала ли. Если и так, то неизвестно, сохранились ли хоть какие-то свидетельства в камнях». Выяснить все это и предстояло геологу-марсоходу.

Curiosity регулярно и тщательно фотографируется, позволяя осмотреть себя и оценить общее состояние. Это «селфи» составлено из снимков, сделанных камерой MAHLI. Она расположена на трехсуставном манипуляторе, который при объединении снимков оказался почти не виден. В кадр не попали находящиеся на нем ударная дрель, ковшик для сбора рыхлых образцов, сито для их просеивания и металлические щеточки для очистки камней от пыли. Не видны также камера для макросъемки MAHLI и рентгеновский спектрометр APXS для анализа химического состава образцов.

1. Мощным системам ровера солнечных батарей не хватит, и питание ему обеспечивает радиоизотопный термоэлектрогенератор (РИТЭГ). 4,8 кг диоксида плутония-238 под кожухом ежедневно поставляют 2,5 КВт·ч. Видны лопасти охлаждающего радиатора. 2. Лазер прибора ChemCam выдает по 50−75 наносекундных импульсов, которые испаряют камень на расстоянии до 7 м и позволяют анализировать спектр получившейся плазмы, чтобы установить состав цели. 3. Пара цветных камер MastCam ведет съемку через различные ИК-светофильтры. 4. Метеостанция REMS следит за давлением и ветром, температурой, влажностью и уровнем ультрафиолетового излучения. 5. Манипулятор с комплексом инструментов и приборов (не виден). 6. SAM — газовый хроматограф, масс-спектрометр и лазерный спектрометр для установления состава летучих веществ в испаряемых образцах и в атмосфере. 7. CheMin выясняет состав и минералогию измельченных образцов по картине дифракции рентгеновских лучей. 8. Детектор радиации RAD заработал еще на околоземной орбите и собирал данные на протяжении всего перелета к Марсу. 9. Детектор нейтронов DAN позволяет обнаруживать водород, связанный в молекулах воды. Это российский вклад в работу марсохода. 10. Кожух антенны для связи со спутниками Mars Reconnaissance Orbiter (около 2 Мбит/с) и Mars Odyssey (около 200 Мбит/с). 11. Антенна для прямой связи с Землей в Х-диапазоне (0,5−32 кбит/с). 12. Во время спуска камера MARDI вела цветную съемку с высоким разрешением, позволив детально рассмотреть место посадки. 13. Правая и левая пары черно-белых камер Navcams для построения 3D-моделей ближайшей местности. 14. Панель с чистыми образцами позволяет проверить работу химических анализаторов марсохода. 15. Запасные биты для дрели. 16. В этот лоток ссыпаются подготовленные образцы из ковшика для изучения макрокамерой MAHLI или спектрометром APXS. 17. 20-дюймовые колеса с независимыми приводами, на титановых пружинящих спицах. По следам, оставленным рифлением, можно оценить свойства грунта и следить за движением. Рисунок включает буквы азбуки Морзе — JPL.

Начало экспедиции

Свирепый Марс — несчастливая цель для космонавтики. Начиная с 1960-х к нему отправилось почти полсотни аппаратов, большинство из которых разбилось, отключилось, не сумело выйти на орбиту и навсегда сгинуло в космосе. Однако усилия не были напрасны, и планету изучали не только с орбиты, но даже с помощью нескольких планетоходов. В 1997 году по Марсу проехался 10-килограммовый Sojourner. Легендой стали близнецы Spirit и Opportunity: второй из них героически продолжает работу уже больше 12 лет подряд. Но Curiosity — самый внушительный из них, целая роботизированная лаборатория размером с автомобиль.

6 августа 2012 года спускаемый модуль Curiosity выбросил систему парашютов, которые позволили ему замедлиться в разреженной атмосфере. Сработали восемь реактивных двигателей торможения, и система тросов осторожно опустила марсоход на дно кратера Гейла. Место посадки было выбрано после долгих споров: по словам Санджева Гупты, именно здесь нашлись все условия для того, чтобы лучше узнать геологическое — видимо, весьма бурное — прошлое Марса. Орбитальные съемки указали на наличие глин, появление которых требует присутствия воды и в которых на Земле неплохо сохраняется органика. Высокие склоны горы Шарпа (Эолиды) обещали возможность увидеть слои древних пород. Довольно ровная поверхность выглядела безопасной. Curiosity успешно вышел на связь и обновил программное обеспечение. Часть кода, использовавшегося при перелете и посадке, заменилась новой — из космонавта марсоход окончательно стал геологом.

Год первый: cледы воды

Вскоре геолог «размял ноги» — шесть алюминиевых колес, проверил многочисленные камеры и протестировал оборудование. Его коллеги на Земле рассмотрели точку посадки со всех сторон и выбрали направление. Путь до горы Шарпа должен был занять около года, и за это время предстояло немало работы. Прямой канал связи с Землей не отличается хорошей пропускной способностью, но каждый марсианский день (сол) над марсоходом пролетают орбитальные аппараты. Обмен с ними происходит в тысячи раз быстрее, позволяя ежедневно передавать сотни мегабит данных. Ученые анализируют их в Обсерватории данных, рассматривают снимки на экранах компьютеров, выбирают задачи на следующий сол или сразу на несколько и отправляют код обратно на Марс.

Работая практически на другой планете, многие из них вынуждены сами жить по марсианскому календарю и подстраиваться под чуть более длинные сутки. Сегодня для них — «солдня» (tosol), завтра — «солвтра» (solmorrow), а сутки — просто сол. Так, спустя 40 солов Санджев Гупта выступил с презентацией, на которой объявил: Curiosity движется по руслу древней реки. Мелкая, обточенная водой каменная галька указывала на течение со скоростью около 1 м/с и глубину «по щиколотку или по колено». Позднее были обработаны и данные с прибора DAN, который для Curiosity изготовила команда Игоря Митрофанова из Института космических исследований РАН. Просвечивая грунт нейтронами, детектор показал, что до сих пор на глубине в нем сохраняется до 4% воды. Это, конечно, суше, чем даже в самой сухой из земных пустынь, но в прошлом Марс все-таки был полон влаги, и марсоход мог вычеркнуть этот вопрос из своего списка.

64 экрана высокого разрешения создают панораму охватом 313 градусов: Обсерватория данных KPMG в Имперском колледже Лондона позволяет геологам перенестись прямо в кратер Гейла и работать на Марсе почти так же, как на Земле. «Посмотрите поближе, вот здесь тоже следы воды: озеро было довольно глубоким. Конечно, не таким, как Байкал, но достаточно глубоким», — иллюзия была настолько реальной, что казалось, будто профессор Санджев Гупта перепрыгивал с камня на камень. Мы посетили Обсерваторию данных и пообщались с ученым в рамках мероприятий Года науки и образования Великобритании и России — 2017, организованного Британским советом и посольством Великобритании.

Год второй: cтановится опаснее

Свой первый юбилей на Марсе Curiosity встретил празднично и сыграл мелодию «С днем рожденья тебя», меняя частоту вибраций ковшика на своем тяжелом 2,1-метровом манипуляторе. Ковшиком «роборука» набирает рыхлый грунт, ровняет, просеивает и ссыпает немного в приемники своих химических анализаторов. Бур с полыми сменными битами позволяет работать с твердыми породами, а податливый песок марсоход может разворошить прямо колесами, открыв для своих инструментов внутренние слои. Именно такие эксперименты вскоре принесли довольно неприятный сюрприз: в местном грунте обнаружилось до 5% перхлоратов кальция и магния.

Вещества это не только ядовитые, но и взрывчатые, а перхлорат аммония и вовсе используется как основа твердого ракетного топлива. Перхлораты уже обнаруживались в месте посадки зонда Phoenix, однако теперь выходило, что эти соли на Марсе — явление глобальное. В ледяной бескислородной атмосфере перхлораты стабильны и неопасны, да и концентрации не слишком высоки. Для будущих колонистов перхлораты могут стать полезным источником топлива и серьезной угрозой здоровью. Но для геологов, работающих с Curiosity, они способны поставить крест на шансах обнаружить органику. Анализируя образцы, марсоход нагревает их, а в таких условиях перхлораты быстро разлагают органические соединения. Реакция идет бурно, с горением и дымом, не оставляя различимых следов исходных веществ.

Год третий: у подножия

Однако и органику Curiosity обнаружил — об этом было объявлено позже, после того как на 746-й сол, покрыв в общей сложности 6,9 км, марсоход-геолог добрался до подножия горы Шарпа. «Получив эти данные, я сразу подумал, что нужно все обязательно перепроверить», — сказал Джон Грётцингер. В самом деле, уже когда Curiosity работал на Марсе, выяснилось, что некоторые земные бактерии — такие как Tersicoccus phoenicis — устойчивы к методам уборки чистых комнат. Подсчитали даже, что к моменту запуска на марсоходе должно было остаться от 20 до 40 тыс. устойчивых спор. Никто не может поручиться, что какие-то из них не добрались с ним до горы Шарпа.

Для проверки датчиков имеется на борту и небольшой запас чистых образцов органических веществ в запаянных металлических контейнерах — можно ли стопроцентно уверенно сказать, что они остались герметичными? Однако графики, которые предъявили на пресс-конференции в NASA, сомнений не вызывали: за время работы марсианский геолог зафиксировал несколько резких — сразу в десять раз — скачков содержания метана в атмосфере. Этот газ вполне может иметь и небиологическое происхождение, но главное — когда-то он мог стать источником более сложных органических веществ. Следы их, прежде всего хлорбензол, обнаружились и в грунте Марса.

Годы четвертый и пятый: живые реки

К этому времени Curiosity пробурил уже полтора десятка отверстий, оставив вдоль своего пути идеально круглые 1,6-сантиметровые следы, которые когда-нибудь обозначат туристический маршрут, посвященный его экспедиции. Электромагнитный механизм, заставлявший дрель совершать до 1800 ударов в минуту для работы с самой твердой породой, вышел из строя. Однако изученные выходы глин и кристаллы гематита, слои силикатных шпатов и прорезанные водой русла открывали уже однозначную картину: некогда кратер был озером, в которое спускалась ветвящаяся речная дельта.

Камерам Curiosity теперь открывались склоны горы Шарпа, сам вид которых оставлял мало сомнений в их осадочном происхождении. Слой за слоем, сотнями миллионов лет вода то прибывала, то отступала, нанося породы и оставляя выветриваться в центре кратера, пока не ушла окончательно, собрав целую вершину. «Там, где сейчас возвышается гора, когда-то был бассейн, время от времени заполнявшийся водой», — пояснил Джон Грётцингер. Озеро стратифицировалось по высоте: условия на мелководье и на глубине различались и температурой, и составом. Теоретически это могло обеспечить условия для развития разнообразных реакций и даже микробных форм.

Цвета на трехмерной модели кратера Гейла соответствуют высоте. В центре расположена гора Эолида (Aeolis Mons, 01), которая на 5,5 км возвышается над одноименной равниной (Aeolis Palus, 02) на дне кратера. Отмечено место посадки Curiosity (03), а также долина Фарах (Farah Vallis, 04) — одно из предполагаемых русел древних рек, впадавших в ныне исчезнувшее озеро.

Путешествие продолжается

Экспедиция Curiosity далеко не закончена, да и энергии бортового генератора должно хватить на 14 земных лет работы. Геолог остается в пути уже почти 1750 солов, преодолев больше 16 км и поднявшись по склону на 165 м. Насколько могут заглянуть его инструменты, выше по‑прежнему видны следы осадочных пород древнего озера, но как знать, где они кончаются и на что еще укажут? Робот-геолог продолжает восхождение, а Санджев Гупта и его коллеги уже выбирают место для посадки следующего. Несмотря на гибель спускаемого зонда Schiaparelli, орбитальный модуль TGO в прошлом году благополучно вышел на орбиту, запустив первый этап европейско-российской программы «Экзомарс». Марсоход, который должен стартовать в 2020 году, станет следующим.

Российских приборов в нем будет уже два. Сам робот примерно вдвое легче Curiosity, зато его бур сможет забирать пробы с глубины уже до 2 м, а комплекс приборов Pasteur включит инструменты для прямого поиска следов прошлой — или даже сохранившейся до сих пор — жизни. «У вас есть заветное желание, находка, о которой вы особенно мечтаете?» — спросили мы профессора Гупту. «Безусловно, есть: окаменелость, — ученый ответил не раздумывая. — Но это, конечно, вряд ли произойдет. Если жизнь там и была, то только какие-нибудь микробы… Но ведь, согласитесь, это стало бы чем-то невероятным».

Диаметр кратера - свыше 150 километров, в центре располагается конус осадочных пород высотой 5,5 километров - гора Шарпа. Желтой точкой отмечено место посадки марсохода Curiosity - Bradbury Landing (Посадка Брэдбери)

Космический аппарат опустился почти в центре заданного эллипса недалеко от Aeolis Mons (Эолида, гора Шарпа) - главной научной цели миссии.

Путь Curiosity в кратере Гейла (6.08.2012 посадка - 1.08.2018, Sol 2128)

На маршруте отмечены основные участки научных работ. Белая линия - южная граница эллипса посадки. За шесть лет марсоход проехал около 20 км и прислал свыше 400 тыс. фотоснимков Красной планеты

Curiosity собрал образцы "подземного" грунта на 16 участках

(по данным NASA/JPL)

Марсоход Curiosity на хребте Веры Рубин (Vera Rubin Ridge)

С высоты хорошо видны район выветренных холмов Murray Buttes, темные пески Bagnold Dunes и равнина Aeolis Palus (Эолидское болото) перед северным валом кратера Гейла. Высокий пик стенки кратера справа снимка находится на расстоянии около 31.5 км от марсохода, а его высота составляет ~ 1200 метров
Восемь основных задач Марсианской научной лаборатории:
1.Обнаружить и установить природу марсианских органических углеродных соединений.
2.Обнаружить вещества, необходимые для существования жизни: углерод, водород,
азот, кислород, фосфор, серу.
3.Обнаружить следы возможных биологических процессов.
4.Определить химический состав марсианской поверхности.
5.Установить процесс формирования марсианских камней и почвы.
6.Оценить процесс эволюции марсианской атмосферы в долгосрочном периоде.
7.Определить текущее состояние, распределение и круговорот воды и углекислого газа.
8.Установить спектр радиоактивного излучения поверхности Марса.

Свою главную задачу - поиск условий, благоприятных когда-либо для обитания микроорганизмов - Curiosity выполнил, исследовав высохшее русло древней марсианской реки в низине . Марсоход обнаружил веские доказательства того, что на этом месте было древнее озеро и оно было пригодно для поддержания простейших форм жизни.

Марсоход Curiosity в Yellowknife Bay

На горизонте возвышается величественная гора Шарпа ( Aeolis Mons, Эолида)

(NASA/JPL-Caltech/Marco Di Lorenzo/Ken Kremer)

Другими важными результатами являются:
- Оценка естественного уровня радиации во время полета на Марс и на марсианской поверхности; эта оценка необходима для создания радиационной защиты пилотируемого полета на Марс

( )

- Измерение отношения тяжелых и легких изотопов химических элементов в марсианской атмосфере. Это исследование показало, что большая часть первичной атмосферы Марса рассеялась в космосе путем утраты легких атомов из верхних слоев газовой оболочки планеты ( )

Первое измерение возраста горных пород на Марсе и оценка времени их разрушения непосредственно на поверхности под действием космической радиации. Эта оценка позволит выяснить временные рамки водного прошлого планеты, а также темпы разрушения древней органики в камнях и почве Марса

Ц ентральная насыпь кратера Гейла - гора Шарпа - была сформирована из слоистых отложений осадочных пород в древнем озере на протяжении десятков миллионов лет

Марсоход обнаружил десятикратное увеличение содержания метана в атмосфере Красной планеты и отыскал органические молекулы в пробах грунта

Марсоход Curiosity на южной границе эллипса посадки 27 июня 2014 года, Sol 672

(Снимок камеры HiRISE орбитального зонда Mars Reconnaissance Orbiter)

С сентября 2014 года по март 2015 марсоход исследовал холмистую возвышенность "Pahrump Hills" (Парампские Холмы). По мнению планетологов, она представляет собой выход коренных пород центральной горы кратера Гейла и геологически не относится к поверхности его дна. С этого времени Curiosity приступил к изучению горы Шарпа.

Вид на возвышенность "Pahrump Hills"

Отмечены места бурения плиток "Confidence Hills" ,"Mojave 2" и "Telegraph Peak". На заднем плане слева видны склоны горы Шарпа, вверху - обнажения горных пород Whale Rock, Salsberry Peak и Newspaper Rock. Вскоре MSL отправился к более высоким склонам горы Шарпа через ложбину под названием "Artist"s Drive"

(NASA/JPL)

Камера высокого разрешения HiRISE орбитального зонда Mars Reconnaissance Orbiter увидела ровер 8 апреля 2015 года с высоты 299 км.

Север сверху. Изображение охватывает область шириной около 500 метров. Светлые участки рельефа - осадочные горные породы, темные - покрыты песком

(NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona)

Ровер постоянно проводит съемку местности и некоторых объектов на ней, осуществляет мониторинг окружающей среды инструментами . Навигационные камеры присматриваются и к небу в поисках облаков.

Автопортрет в окрестностях ложбины Marias Pass

31 июля 2015 года Curiosity побурил каменистую плитку "Buckskin" на участке осадочных пород с необычно высоким содержанием кремнезема. Такой тип породы впервые встретился Марсианской научной лаборатории (MSL) за три года пребывания в кратере Гейла. Взяв пробу грунта, ровер продолжил путь к горе Шарпа

(NASA/JPL)

Марсоход Curiosity у бархана Namib Dune

Крутой склон подветренной стороны Namib Dune поднимается под углом 28 градусов на высоту 5 метров. На горизонте виден северо - западный вал кратера Гейла

Номинальный технический срок эксплуатации аппарата - два земных года - 23 июня 2014 года на Sol-668, но Curiosity находится в хорошем состоянии и успешно продолжает исследования марсианской поверхности

Слоистые холмы на склонах Эолиды, таящие геологическую историю марсианского кратера Гейла и следы изменений окружающей среды Красной планеты, - будущее место работы Curiosity

6 августа 2012 года на поверхность Марса десантировался аппарат «Любопытство» (Curiosity). В следующие 23 месяца марсоход будет изучать поверхность планеты, её минералогический состав и спектр излучения, искать следы жизни, а также оценит возможность высадки человека.

Основная тактика исследований состоит в поиске интересных пород камерами высокого разрешения. Если таковые появляются, то марсоход издалека облучает лазером исследуемую породу. Результат спектрального анализа определяет, нужно ли доставать манипулятор с микроскопом и рентгеновским спектрометром. Далее «Кьюриосити» может извлечь и загрузить образец во одну из 74 чашечек внутренней лаборатории для дальнейшего анализа.

При всем своем большом обвесе и внешней легкости аппарат имеет массу легкового автомобиля (900 кг) и весит на поверхности Марса 340 кг. Для запитывания всего оборудоваения используется энергия распада плутония-238 от радиоизотопного термоэлектрического генератора компании «Боинг», ресурс которого составляет как минимум 14 лет. На данный момент он вырабатывает 2,5 квт·ч тепловой энергии и 125 Вт электрической, со временем выход электричества будет снижаться до 100 Вт.

На марсоходе установлено сразу несколько различных типов камер . Mast Camera - это система из двух неодинаковых камер обычной цветопередачи, которые могут делать снимки (в том числе стереоскопические) разрешением 1600×1200 пикселов и, что ново для марсоходов, записывать аппаратно сжатый 720p-видеопоток (1280×720). Для хранения полученного материала система имеет 8 гигабайт флэш-памяти для каждой из камер - этого достаточно, чтобы уместить несколько тысяч снимков и пару часов видеозаписи. Обработка фотографий и видеороликов идет без нагрузки на управляющую электронику «Кьюриосити». Несмотря на наличие у производителя конфигурации с трансфокатором, камеры не имеют зума, поскольку времени для тестирования не оставалось.

Иллюстрация изображений от MastCam. Красочные панорамы поверхности Марса получаются путем склейки уже нескольких изображений. Камеры MastCam будут использоваться не только для развлечения публики погодой красной планеты, но и в качестве помощи при извлечении образцов манипулятором и при перемещении.

Также на мачте закреплена часть системы ChemCam . Это лазерно-искровой эмиссионный спектрометр и блок формирования изображения, которые работают в паре: после испарения крошечного количества исследуемой породы 5-наносекундным импульсом лазера производится анализ спектра полученного плазменного излучения, что позволит определить элементный состав образца. При этом не нужно выдвигать манипулятор.

Разрешающая способность оборудования в 5-10 раз выше, чем у установленного на предыдущие марсоходы. С 7 метров ChemCam может определить тип изучаемой породы (например, вулканическая или осадочная), структуру грунта и камней, отследить преобладающие элементы, распознать лед и минералы с водными молекулами в кристаллической структуре, измерить следы эрозии на камнях и визуально помочь при исследовании пород манипулятором.

Стоимость ChemCam составила 10 млн. долларов (менее полупроцента всей стоимости экспедиции). Система состоит из лазера на мачте и трех спектрографов внутри корпуса, излучение к которым подводится по оптоволоконному световоду.

На манипуляторе марсохода установлена Mars Hand Lens Imager, способная получать снимки размером в 1600×1200 пикселов, на которых могут быть видны детали в 12,5 микрометров. Камера имеет белую подсветку для работы как днем, так и ночью. Ультрафиолетовая подсветка необходима для вызова излучения карбонатных и эвапоритных минералов, наличие которых позволяет говорить о том, что в формировании поверхности Марса принимала участие вода.

Для целей картографирования использовалась камера Mars Descent Imager (MARDI), которая во время спуска аппарата записывала снимки размером 1600×1200 пикселов на 8 гигабайт флэш-памяти. Как только до поверхности осталось несколько километров, камера начала делать пять цветных фотографий в секунду. Полученные данные позволят составить карту ареала обитания «Кьюриосити».

По бокам марсохода установлены две пары черно-белых камер с углом обзора 120 градусов. Система Hazcams используется при выполнении маневров и выдвижении манипулятора. На мачте расположена система Navcams, которая представляют из себя две черно-белые камеры с углом обзора 45 градусов. Программы марсохода постоянно строят клиновидную 3D-карту на основе данных этих камер, что позволяет избегать столкновений с неожиданными препятствиями. Один из первых снимков с «Кьюриосити» - это картинка именно с камеры Hazcam.

Для измерения погодных условий на марсоходе установлена станция мониторинга окружающей среды (Rover Environmental Monitoring Station), которая измеряет давление, температуры атмосферы и поверхности, скорость ветра и ультрафиолетовое излучение. REMS защищена от марсианской пыли.