Пять лет любопытства: что марсоход Curiosity узнал за годы работы на Марсе?

— планетоход, передвигающийся по поверхности Марса. Мягкая посадка марсоходов осуществляется с помощью спускаемых аппаратов.

Марсоходом, в отличие от лунохода, невозможно управлять дистанционно в режиме реального времени из-за значительного запаздывания командных сигналов и сигналов от планетохода. Задержка возникает, поскольку радиосигналу вследствие конечности его скорости распространения требуется время, чтобы дойти до Марса или от него до Земли. Поэтому марсоходы способны некоторое время функционировать, в том числе передвигаться и выполнять исследования, автономно по заложенным в них программам, получая команды лишь время от времени.

Всего на Марсе работали четыре марсохода для научных исследований. Два из них — «Кьюриосити» и «Оппортьюнити» — продолжают работу и в настоящее время (по состоянию на 1 мая 2018 года.)

Запущенные

• ПрОП-М — советский марсоход. Идентичные марсоходы входили в состав автоматических марсианских станций которые должны были быть доставлены на поверхность Марса в 1971 году спускаемыми аппаратами автоматических межпланетных станций «Марс» (в рамках серии М-71): спускаемый аппарат Марс-2 разбился 27 ноября 1971 года при неудачной попытке мягкой посадки.
• спускаемый аппарат Марс-3 совершил мягкую посадку 2 декабря 1971 года, но сигнал с самой марсианской станции, к которой был подключён по кабелю марсоход, пропал через 14,5 секунд[1]. Информация с марсохода не была получена.

Среди других запущенных планетоходов они выделялись прежде всего своей системой передвижения: перемещаться марсоходы должны были при помощи двух шагающих «лыж», размещённых по бокам. Такая система была выбрана из-за отсутствия сведений о поверхности Марса[2].

• «Соджорнер» (англ. Sojourner) — с 4 июля по 27 сентября 1997 года (в рамках программы Mars Pathfinder, НАСА).

• Одинаковые марсоходы программы Mars Exploration Rover, НАСА: «Спирит» (англ. Spirit) — с января 2004 года по 22 марта 2010 года.
• «Оппортьюнити» (англ. Opportunity) — с января 2004 года. На 1 июня 2020 года в рабочем состоянии.

• «Кьюриосити» (англ. Curiosity) — с 6 августа 2012 года. На 20 июня 2020 года работает (в рамках программы Mars Science Laboratory, НАСА).

Планируемые марсоходы

• Марс-Астер — российский марсоход, запуск в 2020 году. Перенесен на 2020 год.
• «Экзомарс» — марсоход Европейского космического агентства; запуск на Марс ожидается в 2020 году.
• Марсоход НАСА «Марс-2020», являющийся наследником марсохода «Кьюриосити»; запуск планируется в 2020 году. О начале работ по программе объявлено представителем НАСА 4 декабря 2012 на ежегодном съезде Американского геофизического союза[4]. Одной из главных задач этого марсохода станет обнаружение возможных признаков жизни и «складирование» образцов (общим числом в 31 экземпляр, каждый по 300—400 граммов) с целью их возможной доставки обратно на Землю будущими экспедициями. Кроме того, учёные планируют использовать марсоход как платформу для изучения условий для постройки обитаемой базы на поверхности Марса. В частности, наследник «Кьюриосити» оценит опасность марсианской пыли и измерит долю угарного газа в его атмосфере. Конструктивно новый марсоход будет состоять по большей части из узлов и деталей, которые разрабатывались для «Кьюриосити». Таким образом, это позволит снизить себестоимость разработки устройства с 2,5 миллиардов долларов до 1,5. Кроме всего прочего, учёным придётся снизить и количество научного оборудования, а также упростить некоторые аналитические приборы. На «Кьюриосити» установлено научного оборудования почти на 2 миллиарда долларов США. На новом марсоходе оборудования поставят всего на 100 миллионов. Он не будет нести ни масс-спектрометра, ни некоторых других узлов, однако будет установлен ультрафиолетовый спектрометр, способный обнаруживать органические вещества.
• Mars Sample Return Mission — возможно, марсоход будет одним из элементов этой программы доставки грунта с Марса; запуск запланирован на 2022 год.
• Китайский марсоход планируется доставить космическим кораблём на орбиту Марса, в июле-августе 2020 года. Центр космического проектирования при Комитете оборонной науки, техники и промышленности КНР планирует осуществить запуск при помощи ракеты-носителя «Чанчжэн-5» с космодрома Вэньчан. Далее, через семь месяцев полёта запланировано осуществить посадку в районе низких широт в северном полушарии Марса, где шестиколёсный марсоход весом 200 кг с питанием от четырех солнечных батарей в течение трёх марсианских месяцев будет вести исследование поверхности планеты[5].

Тысяча дней на Марсе: неисправности и сбои марсохода Curiosity

Несмотря на длину тросов, посадка проходила в пыли и мусоре, поднимаемом ракетными струями, поэтому наиболее чувствительные элементы марсохода, вроде фотокамер, защищались крышками. Без защиты оказались выступающие на «шее»-мачте датчики ветра испанской климатической станции Rems. И первой обнаруженной потерей стал один из датчиков. Повредился ли он песком и пылью при посадке, или пострадал от динамических нагрузок еще при посадке, так и не выяснили. Зато на будущее решили не забывать про колпаки на датчиках.

Мусор в манипуляторе

Следующие несколько месяцев после посадки прошли в тестах, все как один успешных. Curiosity прошел первые 400 метров, развернул руку-манипулятор, опробовал канадский спектрометр APXS и макрокамеру MAHLI, и добрался до места названного Rocknest. Здесь решили проверить новую группу приборов и инструментов.

Развернув манипулятор, приготовились впервые зачерпнуть грунт. Блок инструментов на манипуляторе оборудован ковшом для этих целей, но есть и бур, напоминающий бытовой перфоратор. Для начала, включили вибромашину в перфораторе, и из манипулятора выскочил какой-то предмет. Первые панические мысли развеяла съемка камерой MAHLI — выпавший предмет, скорее всего, являлся обрывком теплоизоляции, в которую был завернут марсоход во время перелета.

Ложное срабатывание на органику

С предосторожностями Curiosity принялся черпать марсианскую пыль, просеивать и загружать во внутренние приборы. Внутри у него неонка два сложных прибора, благодаря которым этот марсоход официально зовется Марсианская научная лаборатория. В лаборатории располагается рентгеновский дифрактометр CheMin, и газовый хроматограф SAM.

CheMin провел анализы без нареканий, а вот SAM — выдал сенсацию — в набранной горсти пыли нашли хлорметаны — органическое соединение! Поначалу геологи сделали несколько опрометчивых заявлений по поводу сенсационной находки, а потом спохватились.

Тут сделаем небольшое отступление. Чтобы понять суть происшествия надо немного разобраться в строении прибора SAM. Этот прибор не может напрямую анализировать грунт, он может изучать только газы, которые из этого грунта выделяются. Для того чтобы Марс дал газ, SAM оборудован микроволновой печью, которая может нагревать образцы грунта до 1100 градусов Цельсия. Но некоторые вещества от такого исследования могут распадаться на более простые соединения, и не добраться до детектора. На этот случай SAM оснащен несколькими ячейками с жидким органическим растворителем (MTBSTFA), в который предполагалось опускать образцы грунта, и определять какие газы выделятся от их взаимодействия.

Как оказалось, одна из емкостей разгерметизировалась, вероятно, во время посадки. Марсоход NASA первым своим вдохом, схватил органику земного происхождения вперемешку с марсианскими газами. В сумме получилась сенсация.

После такого конфуза, ученые многократно прокачивали через газоанализатор марсианскую атмосферу, закладывали усиленные порции грунта и выжаривали из него все, что только можно. В результате избавились от излишков загрязнителя и научились выделять его остатки в изучаемых образцах. После этого, про органику рассказали только спустя два года, когда смогли на многократных опытах подтвердить чистоту показаний.

Протонное событие и смена компьютера

Еще не успев разобраться с загрязнителем, Curiosity пережил солнечное протонное событие, которое жестко вырубило его компьютер. Инженеры несколько недель занимались реанимацией машины, переключили марсоход на второй комплект бортовой вычислительной машины, и до сих пор работают на ней.

Повреждения колес

Разобравшись с грунтом и системным сбоем, Curiosity отправился в путь. Первые преодоленные километры выявили, наверно, самую опасную недоработку — недостаточный запас прочности колесного полотна. На колесах стали видны пробоины и каждый новый километр добавлял новые прорехи, расширяя старые.

Несмотря на устрашающую динамику, пока рано говорить об угрозе прекращения миссии. Самое главное цел каркас. Толщина колесного полотна всего 0.75 мм, а каркас уже 3 мм, и он держится. Колеса выточены из алюминиевого сплава и крепятся на титановые изогнутые амортизирующие спицы. Каждое колесо, помимо каркасного протектора имеет три обода, два тонких — по краям, и один толстый, к которому крепятся спицы.

Увидев первые пробоины, инженеры проекта сильно удивились. По их расчетам таких повреждений быть не должно. Они взяли «Страшилу» — наземный макет для тестирования системы передвижения марсохода — и загнали на доску, с вбитым гвоздем. Колесо забралось на гвоздь и замерло. Пробоины не получилось. Значит математика не обманула. Но как, Холмс?

Дальнейшие тесты выявили слабое место — компоновка колесной тележки приводила к тому, что на передние и средние колеса приходилась повышенная нагрузка под действием двигателей марсохода. Т.е. колеса рвутся не от того, что камни тверже гвоздей и марсоход слишком тяжелый, а потому, что марсоход сам наваливается на камни помогая марсианской гравитации своими двигателями. Этим же объяснялся факт, что задние колеса марсохода практически не имеют повреждений и сквозных пробоин, хотя масса распределена поровну.

Несколько сот метров Curiosity проехал задом наперед, и даже это не привело к существенным повреждениям задних колес. А в обычном режиме движения инженеры стараются тщательно выбирать маршрут, и регулярно проводят осмотр колес при помощи манипулятора. Это, в свою очередь, повышает износ суставов «руки», нам только остается надеяться, что разработчики учли проблемы предыдущего поколения марсоходов и добавили избыточный запас прочности. (Подробный разбор темы

).

Ухудшение качества съемки

Примерно год назад стало заметно падение качества съемки левой мачтовой камеры. Периодически качество у них падает, когда марсоход подолгу задерживается на одном месте и на стеклах накапливается пыль. Тряска во время передвижения или вибрация от бура позволяет очистить линзы. Но не в этот раз. Матрица левой камеры прибавила в шумности и через всю вертикаль снимка протянулась светлая полоса. Пока она не сильно мешает, и при склейке панорам, обычно перекрывается соседними кадрами, но улучшения пока не предвидится.

Отказ автофокуса ChemCam

С полгода назад геологи NASA стали жаловаться на автофокус камеры ChemCam. Эта камера одновременно является и дистанционным лазерным спектрометром. Лазерный луч спектрометра разогревал исследуемые образцы до состояния плазмы, камера фокусировалась на вспышку и свет плазмы направляли в спектрометр.

После выхода из строя вспомогательного лазера автофокуса, анализы приходилось осуществлять практически вручную: исходя из предварительного расчета дальности выставлялись настройки камеры, а потом проводилась серия обстрелов с пошаговыми замерами.

Таким образом дистанционная геология продолжалась, но она требовала больше времени работы ChemCam и вытягивала запасы энергии из батарей. Но в мае на марсоход пришло очередное обновление ПО, и камера снова заработала как надо! Некоторые подписчики сообщества «Curiosity марсоход» недоумевали и восторгались возможностями NASA: «Как софтверно исправлять хардверный сбой?».

Оказалось, что неисправный «прицельный» лазер так и не починили, но, как это частенько бывает у NASA, неисправность одного устройства компенсировали расширением возможностей другого устройства. Теперь съемка, как и после сбоя, ведется по примерному нацеливанию. Далее камера делает серию снимков с разной глубиной резкости, а новая программа отбирает из этой серии самый резкий. Камера возвращается к настройкам, которым удалось получить самый резкий снимок, и после этого уже идет обстрел лазером.

Короткое замыкание в буровом устройстве

Еще один нехороший симптом проявился во время последних буровых работ, несколько месяцев назад. В момент включения вибромашины, в ней проскочило короткое замыкание, и марсоход ушел в безопасный режим. О потенциальной опасности, заложенной в конструкции бурового устройства было известно давно. Но времени на переделку не было, поэтому инженеры проложили только альтернативную цепь, которая, в перспективе, должна обезопасить устройство. Но причины первого короткого замыкания, кажется, так и не выяснили. По крайней мере, через несколько дней простоя, марсоход продолжил работу как ни в чем не бывало.

Если ничего не забыл, на сегодня это полный список неисправностей и сбоев марсохода Curiosity. Не так уж и много для тысячи дней на Марсе, надо отдать должное его конструкторам. Впрочем, они учились практически двадцать лет, запустили три марсохода поменьше, плюс две спускаемых станции, одну из которых размазали тонким слоем по Южному полюсу Марса, но научились-таки.

Несмотря на заложенный в марсоход запас прочности, дальнейшая его история — это не только новые открытия и наблюдения, но и растущий список отказов, сбоев и ошибок. Горькая цена за радость увлекательного путешествия по Красной планете, которое он дарит нам.

О каждом шаге на пути Curiosity можно узнавать из сообщества «Curiosity-марсоход», или Twitter.