Ниже приводится отрывок из моей новой книги «Невероятные истории из космоса: взгляд за кулисы о миссиях, меняющих наш взгляд на космос», которая выйдет завтра, в декабре. Книга представляет собой взгляд изнутри на несколько текущих Роботизированные миссии НАСА, и этот отрывок является частью 1 из 3, которая будет размещена здесь, в журнале «Космос», главы 2 «Путешествие по Марсу с любопытством». Книга доступна для заказа на Amazon и Barnes & Noble.
Семь минут террора
Космическому кораблю умеренного размера, такому как ровер или роботизированный посадочный аппарат, требуется приблизительно семь минут, чтобы спуститься через атмосферу Марса и достичь поверхности планеты. В течение этих коротких минут космический корабль должен замедлиться со своей сверкающей входящей скорости около 13 000 миль в час (20 900 км / ч), чтобы приземлиться со скоростью всего 2 миль в час (3 км / ч) или менее.
Это требует, чтобы серия событий, подобная Рубе Голдбергу, происходила в идеальной последовательности, с точной хореографией и временем. И все это должно происходить автоматически через компьютер, без участия кого-либо на Земле. Невозможно удаленно управлять космическим кораблем с нашей планеты на расстоянии около 150 миллионов миль (250 миллионов км). На этом расстоянии время задержки радиосигнала с Земли на Марс занимает более 13 минут. Следовательно, к моменту окончания семиминутного спуска все эти события уже произошли - или не произошли - и никто на Земле не знает, какие именно. Либо ваш космический корабль великолепно сидит на поверхности Марса, либо лежит в разбитой куче.
Вот почему ученые и инженеры из миссий на Марс называют это «Семь минут террора».
А с миссией Mars Science Laboratory (MSL), которая стартовала с Земли в ноябре 2011 года, страх и трепет по поводу того, что официально называется «Въезд, спуск и посадка» (EDL), возросли в геометрической прогрессии. MSL оснащен 1-тонным (900 кг) 6-колесным ровером по имени Curiosity, и он собирался использовать совершенно новую, не опробованную систему посадки.
До настоящего времени все марсоходы и марсоходы использовали - по порядку - вход с управляемой ракетой, теплозащитный экран для защиты и замедления транспортного средства, затем парашют, за которым следовали двигатели для еще большего замедления транспортного средства. Любопытство также будет использовать эту последовательность. Тем не менее, последний, решающий компонент включал в себя одно из самых сложных посадочных устройств, когда-либо летавших.
Обозначенная «Sky Crane», ступень парящей ракеты будет опускать ровер на 20-футовые (20 метров) кабели из веревки Vectran, как скалолазный альпинист, с мягкой посадкой ровера непосредственно на его колесах. Все это должно было быть выполнено в считанные секунды, и когда бортовой компьютер почувствовал приземление, пиротехника разорвала бы веревки, и ступенька парящего понижения развернулась бы на полном газу, чтобы приземлиться вдали от Любопытства.
Ситуация усложняется еще больше, и этот марсоход попытается совершить самую точную посадку за пределы мира, опустившись в кратер рядом с горой на высоте Маунт-Рейнир.
Основная часть неопределенности заключалась в том, что инженеры никогда не могли протестировать всю систему посадки все вместе, последовательно. И ничто не может имитировать жестокие атмосферные условия и меньшую гравитацию, присутствующую на Марсе, кроме как на самом Марсе. Поскольку реальная посадка будет в первый раз, когда будет использоваться полный Sky Crane, возникли вопросы: что делать, если кабели не разделялись? Что, если сцена спуска продолжит спускаться прямо сверху ровера?
Если Sky Crane не сработает, то это будет игра для миссии, которая уже преодолела так много: технические проблемы, задержки, перерасход средств и гнев критиков, которые сказали, что этот марсоход стоимостью 2,5 миллиарда долларов отбрасывает деньги от остальная часть программы исследования планет НАСА.
Миссии на Марс
Марс своим красным светом в ночном небе веками манит небесных наблюдателей. Будучи ближайшей планетой к Земле, которая предлагает какой-либо потенциал для будущих человеческих миссий или колонизации, она представляет большой интерес в эпоху освоения космоса. На сегодняшний день на Красную планету было запущено более 40 роботизированных миссий ... или, точнее, было выполнено более 40 миссий попытка.
Включая все усилия США, Европы, Советского Союза, России и Японии, более половины миссий на Марсе потерпели неудачу из-за катастрофы, вызванной запуском, сбоя на пути к Марсу, неудачной попытки ускользнуть на орбиту или катастрофической посадки. Хотя недавние миссии имели больший успех, чем наши первые новаторские попытки исследовать Марс на месте (на месте), ученые и инженеры шутят лишь частично, когда говорят о таких вещах, как «Великий галактический упырь» или «Проклятие Марса», которые портят миссий.
Но были и замечательные успехи. Ранние миссии в 1960-х и 70-х годах, такие как орбитальные корабли «Моряк» и «Викинги», показали нам поразительно красивый, хотя и бесплодный и каменистый мир, тем самым разрушая любые надежды на «маленьких зеленых человечков» в качестве наших планетарных соседей. Но более поздние миссии выявили дихотомию: великолепное запустение в сочетании с дразнящими намеками на прошлую - или, возможно, даже на сегодняшний день - воду и глобальную активность.
Сегодня поверхность Марса холодная и сухая, и его тонкая шепотная атмосфера не защищает планету от бомбардировки радиацией от Солнца. Но признаки того, что условия на Марсе не всегда были такими. С орбиты видны каналы и запутанные системы долин, которые, как представляется, были вырезаны проточной водой.
В течение десятилетий ученые-планетологи обсуждали, формировались ли эти особенности в течение коротких влажных периодов, вызванных катастрофическими событиями, такими как массивный удар астероида или внезапное климатическое бедствие, или сформировались ли они в течение миллионов лет, когда Марс мог быть постоянно теплым и влажным. Большая часть доказательств пока неоднозначна; эти функции могли сформироваться в любом случае. Но миллиарды лет назад, если бы существовали реки и океаны, как на Земле, жизнь могла бы утвердиться.
Роверс
Ровер Curiosity - это четвертый мобильный космический корабль, отправленный НАСА на поверхность Марса. Первым был марсоход по фамилии Соджурнер весом в 23 фунта (10,6 кг), который 4 июля 1997 года приземлился на покрытой камнем марсианской равнине. О размерах микроволновой печи Сойорнер длиной 2 фута (65 см) не проходил. на расстоянии более 40 футов от его посадочной станции и базовой станции. Ровер и посадочный аппарат вместе составляли миссию следопыта, которая, как ожидается, продлится около недели. Вместо этого он длился почти три месяца, и дуэт возвратил 2,6 гигабита данных, сняв более 16 500 изображений с посадочного аппарата и 550 изображений с ровера, а также провел химические измерения камней и почвы и изучил атмосферу и погоду Марса. Он обнаружил следы более теплого и влажного прошлого для Марса.
Миссия состоялась, когда Интернет только набирал популярность, и НАСА приняло решение опубликовать фотографии с ровера в Интернете, как только они отправятся на Землю. Это стало одним из крупнейших событий в истории молодого интернета: веб-сайт НАСА (и зеркальные сайты, созданные для удовлетворения высоких потребностей) получил более 430 миллионов просмотров в первые 20 дней после приземления.
Pathfinder тоже использовал необычную систему посадки. Вместо того, чтобы использовать двигатели для приземления на поверхность, инженеры создали систему гигантских подушек безопасности для окружения и защиты космического корабля. После использования обычной системы входа с ракетным наведением, теплозащитного экрана, парашютов и подруливающих устройств воздушные подушки надуты, и спущенный на борт кокон упал с высоты 100 футов (30 м) над землей. Прыгнув несколько раз по поверхности Марса, как гигантский пляжный мяч, Pathfinder в конце концов остановился, подушки безопасности спустились, и спускаемый аппарат открылся, чтобы позволить роверу появиться.
Хотя это может звучать как сумасшедшая стратегия посадки, она сработала настолько хорошо, что НАСА приняло решение использовать более крупные версии подушек безопасности для следующей миссии марсохода: два идентичных ровера, названные Spirit и Opportunity. Марсо исследовательские вездеходы (MER) размером с ездовую газонокосилку, имеют длину 5,2 фута (1,6 метра) и весят около 400 фунтов (185 кг). Спирит успешно приземлился возле экватора Марса 4 января 2004 года, а три недели спустя «Возможность» отскочила на другую сторону планеты. Цель MER состояла в том, чтобы найти доказательства прошлой воды на Марсе, и оба ровера сорвали куш. Среди многих находок Opportunity обнаружили древние скальные обнажения, которые образовались в проточной воде, а Spirit обнаружил необычные кремнеземные породы в форме цветной капусты, которые ученые все еще изучают, но они могут дать подсказки для потенциальной древней марсианской жизни.
Невероятно, но на момент написания этой статьи (2016 г.) марсоход Opportunity все еще работает, проезжая больше, чем марафон (26 миль / 42 км), и продолжает исследовать Марс в большом кратере по имени Endeavour. Спирит, однако, потерял власть во время холодной марсианской зимы в 2010 году после того, как застрял в песчаной ловушке. Два ровера намного пережили свою предполагаемую 90-дневную жизнь.
Каким-то образом, у каждого из роверов развилась особая «личность» - или, возможно, лучший способ выразить это тем, что люди назначенный личности роботов. Дух был проблемным ребенком и королевой драмы, но ему приходилось бороться за каждое открытие; Возможность, привилегированная младшая сестра и звездная исполнительница, поскольку новые открытия, казалось, давались ей легко. Дух и возможности не были созданы для того, чтобы быть очаровательными, но очаровательные вездеходы захватили воображение детей и опытных ветеранов космоса. Менеджер проекта MER Джон Каллас однажды назвал твин-роверы «самыми милыми штучками в Солнечной системе». Поскольку долгоживущие отважные марсоходы преодолевали опасности и опасности, они каждый день отправляли открытки с Марса. И земляне любили их за это.
Любопытство
Хотя это уже давно в нашем списке космических задач, мы еще не выяснили, как отправить людей на Марс. Нам нужны большие и более совершенные ракеты и космические корабли, лучшие технологии для таких вещей, как жизнеобеспечение и выращивание нашей собственной пищи, и у нас действительно нет возможности высаживать очень большие полезные грузы, необходимые для создания человеческого поселения на Марсе.
Но тем временем - пока мы пытаемся все это выяснить - мы отправили робот-эквивалент человеческого геолога на Красную планету. Ровер Curiosity размером с автомобиль оснащен семнадцатью камерами, дрелью, совком, ручным объективом и даже лазером. Эти инструменты напоминают оборудование, которое геологи используют для изучения камней и минералов на Земле. Кроме того, этот марсоход имитирует деятельность человека, занимаясь альпинизмом, питаясь (образно говоря), сгибая (роботизированную) руку и принимая селфи.
Этот геолог-робот также является мобильной химической лабораторией. В общей сложности десять инструментов на ровере помогают найти органический углерод, который может указывать на сырье, необходимое для жизни, и «нюхать» марсианский воздух, пытаясь почувствовать запах присутствующих газов, таких как метан - что может быть признаком жизни. Роботизированная рука Curiosity несет швейцарский армейский нож гаджетов: камеру, похожую на увеличительную линзу, спектрометр для измерения химических элементов и дрель для бурения внутри камней и подачи образцов в лаборатории под названием SAM (Sample Analysis at Mars) и) и CheMin Химия и минералогия. Лазер ChemCam может испарять камни на расстоянии до 23 футов (7 метров) и определять минералы по спектру света, излучаемого взорванной горной породой. Метеостанция и радиационный монитор дополняют приборы на борту.
С этими камерами и инструментами марсоход становится глазами и руками международной команды из около 500 ученых-геологов.
В то время как предыдущие марсоходы использовали солнечные батареи для сбора солнечного света для получения энергии, Curiosity использует RTG, такой как New Horizons. Электричество, генерируемое RTG, постоянно питает перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы, а тепло RTG также направляется в шасси ровера для поддержания внутренней электроники в тепле.
Принимая во внимание размеры и вес Curiosity, о системе посадки подушек безопасности, используемой предыдущими роверами, не могло быть и речи. Как объяснил инженер НАСА Роб Мэннинг: «Нельзя прыгать с такими большими вещами». Sky Crane - это смелое решение.
Миссия Curiosity: выяснить, как Марс развивался в течение миллиардов лет, и определить, способен ли он когда-либо - или даже сейчас - поддерживать микробную жизнь.
Цель Curiosity для исследования: ученые высотой в 3,4 мили (5,5 км) зовут Mt. Sharp (формально известный как Aeolis Mons), который находится в середине Кратера Гейла, ударного бассейна диаметром 96 миль (155 км).
Гейл был выбран из 60 сайтов-кандидатов. Данные, полученные с космического корабля на орбите, определили, что гора имеет десятки слоев осадочных пород, возможно, построенных за миллионы лет. Эти слои могут рассказать историю геологической и климатической истории Марса. Кроме того, кажется, что и гора, и кратер имеют каналы и другие элементы, которые выглядят так, как будто они вырезаны проточной водой.
План: MSL приземлится в более низкой, более плоской части кратера и будет осторожно продвигаться вверх к горе, изучая каждый слой, по сути, совершая экскурсию по эпохам геологической истории Марса.
Самое сложное было бы добраться туда. И у команды MSL был только один шанс сделать все правильно.
Посадка Ночь
Приземление Curiosity 5 августа 2012 года стало одним из самых ожидаемых событий освоения космоса в новейшей истории. Миллионы людей наблюдали за событиями в Интернете и на телевидении, а в социальных сетях гудели обновления. Телевидение НАСА, транслирующее информацию о контроле миссии JPL, транслировалось в прямом эфире на экранах на Нью-йоркской Тайм-сквер и в разных местах по всему миру, где проводились «вечеринки приземления».
Но эпицентр действия был в JPL, где сотни инженеров, ученых и представителей НАСА собрались в Центре полетов космических полетов JPL. Команда EDL - все в подходящих голубых рубашках поло - контролировала компьютерные приставки во время управления полетом.
Выделились два члена команды: руководитель команды EDL Адам Стельцнер - который носит свои волосы в подобном Элвису помпадуре - шагал взад-вперед между рядами консолей. Руководитель полета Бобак Фердовски носил и вычурный звездно-полосатый ирокез. Очевидно, что в XXI веке экзотические прически заменили черные очки и карманные протекторы 1960-х годов для инженеров НАСА.
На момент высадки Эшвин Васавада был одним из старейших ученых в составе миссии, присоединившись к MSL в качестве заместителя научного сотрудника проекта в 2004 году, когда строился марсоход. В то время большая часть работы Vasavada работала с командами по инструментам, чтобы завершить задачи своих инструментов, и контролировать технические группы, чтобы помочь в разработке инструментов и интеграции их с ровером.
Каждый из десяти выбранных приборов собрал команду ученых, поэтому с инженерами, дополнительным персоналом и студентами сотни людей готовили марсоход к запуску. Васавада помогал координировать каждое решение и модификацию, которые могли бы повлиять на возможную науку, сделанную на Марсе. Однако во время приземления он мог только наблюдать.
«Я был в комнате по соседству с диспетчерской, которую показывали по телевизору», - сказал Васавада. «Для приземления я ничего не мог сделать, кроме как осознать последние восемь лет своей жизни, и все мое будущее зависело от этих семи минут EDL».
Плюс, тот факт, что никто не узнает реальную судьбу ровера до истечения 13 минут после факта из-за задержки по радио, привел к ощущению беспомощности всех в JPL.
«Хотя я сидел в кресле, - добавил Васавада, - я думаю, что я мысленно свернулся в позе эмбриона».
Когда Curiosity приблизился к Марсу, три других ветеранских космических корабля, уже вращающихся вокруг планеты, переместились в положение, чтобы иметь возможность следить за новичком MSL, поскольку он передавал информацию о своем статусе. Сначала MSL напрямую связывался с антеннами Сети глубокого космоса (DSN) на Земле.
Чтобы сделать телеметрию с космического корабля максимально упорядоченной во время EDL, Curiosity разослал 128 простых, но различных тонов, указывающих, когда были активированы шаги в процессе посадки. Аллен Чен, инженер в диспетчерской, объявил каждого по мере их появления: один звук указывает, что космический корабль вошел в атмосферу Марса; другой подал сигнал, что двигатели запускаются, направляя космический корабль к кратеру Гейл. Пробные аплодисменты и улыбки исходили от команды в Mission Control на ранних тонах, и эмоции усиливались по мере того, как космический корабль приближался все ближе к поверхности.
В середине спуска MSL опустился ниже марсианского горизонта, лишив его связи с Землей. Но три орбитальных аппарата - Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter и Mars Express - были готовы собирать, записывать и передавать данные в DSN.
Тоны непрерывно поступали на Землю, поскольку каждый шаг приземления продолжался безупречно. Парашют развернут. Тепловой щит отпал. Тон сигнализировал о спуске, несущем ровер, отпустивший парашют, другой указывал на усиленный полет и спуск к поверхности. Другой тон означал, что Небесный Журавль начал опускать ровер на поверхность.
Пришел тон, указывающий, что колеса Curiosity коснулись поверхности, но даже это не означало успеха. Команда должна была убедиться в том, что маневр с откидным верхом Sky Crane сработал.
Затем последовал тон, которого они ждали: «Подтверждение приземления» приветствовало Чена. «Мы в безопасности на Марсе!»
Пандемониум и радость вспыхнули в управлении миссией JPL, на сайтах сторонников высадки и в социальных сетях. Казалось, мир праздновал вместе в тот момент. Перерасход средств, задержки, все негативное, что когда-либо говорилось о миссии MSL, казалось, исчезло с триумфом приземления.
«Добро пожаловать на Марс!» Директор Лаборатории реактивного движения Чарльз Элачи сказал на пресс-конференции после драматического приземления: «Сегодня мы приземлились, завтра мы начнем исследовать Марс. Наше Любопытство не имеет границ ».
«Семь минут прошли очень быстро, - сказал Васавада. «Это было кончено, прежде чем мы знали это. Тогда все прыгали вверх и вниз, хотя большинство из нас все еще обрабатывали, что все прошло так успешно ».
То, что посадка прошла так хорошо - действительно отлично - возможно, шокировало некоторых из команды в JPL. Хотя они несколько раз репетировали посадку Curiosity, удивительно, но они так и не смогли посадить машину в своих симуляциях.
«Мы пытались отработать это очень точно, - сказал Васавада, - чтобы все было синхронизировано - и телеметрия, которую мы смоделировали, которая будет исходить от космического корабля, и анимация в реальном времени, которая была создана. Это была довольно сложная вещь, но она никогда не работала. Таким образом, настоящая, настоящая посадка была в первый раз, когда все работало правильно ».
Любопытство было запрограммировано, чтобы немедленно сфотографировать его окрестности. В течение двух минут после приземления первые изображения были переданы на Землю и высветились на экранах просмотра в JPL.
«Мы рассчитали, что орбитальные аппараты будут пролетать во время приземления, но не знали наверняка, хватит ли их ретрансляционной линии на достаточно длительный срок, чтобы получить первоначальные снимки», - сказал Васавада. «Эти первые снимки были довольно грязными, потому что защитные кожухи все еще были на камерах, а двигатели подняли много пыли на кожухах. Мы не могли видеть это очень хорошо, но мы все равно прыгали вверх и вниз, потому что это были фотографии с Марса ».
Удивительно, но одна из первых картин показала, что именно ровер был отправлен на учебу.
«Мы приземлились с камерами, которые в основном смотрели прямо на гору. Острый, - сказал Васавада, качая головой. «На снимке HazCam (опасная камера) прямо между колесами у нас был этот великолепный снимок. Там была гора. Это было похоже на предварительный просмотр всей миссии прямо перед нами ».
Завтра: Часть 2 из «Живого Марса с любопытством», с «Жить на Марсе» и «Открытиями»
«Невероятные истории из космоса: закулисный взгляд на миссии, меняющие наш взгляд на космос», публикуется компанией Page Street Publishing, дочерней компанией Macmillan.
