Mars Science Laboratory - MSL (kompendium)

[Scorus]

WPROWADZENIE
MSL (Mars Science Laboratory, Curiosity) jest opracowanym przez NASA/JPL bardzo zaawansowanym łazikiem marsjańskim, zdolnym do pokonywania dużych dystansów na powierzchni Marsa i wykonywania badań naukowych za pomocą licznych, potężnych instrumentów. Do podstawowych naukowych celów misji należy: wykonanie poszukiwań śladów warunków sprzyjających życiu przynajmniej w miejscu lądowania w przeszłości geologicznej; scharakteryzowanie lokalnej geologii i geochemii pod kątem składu pierwiastkowego, mineralnego i izotopowego skał i gleb; zbadanie czynników modyfikujących skały, w tym roli wody w procesach zachodzących na powierzchni; wykonanie poszukiwań i ewentualnie określenie natury związków organicznych występujących na powierzchni; wykonanie poszukiwań pierwiastków biogennych; wykonanie pomiarów meteorologicznych istotnych dla modelowania atmosfery Marsa; wykonanie poszukiwań wody oraz scharakteryzowanie możliwego cyklu hydrologicznego i obiegu dwutlenku węgla; scharakteryzowanie widma promieniowania wysokoenergetycznego na powierzchni planety.

[Scorus]

KONSTRUKCJA
W konfiguracji lotu międzyplanetarnego w skład sondy MSL wchodzą następujące elementy: stopień rejsowy (Cruise Stage); osłona aerodynamiczna (Aeroshell); stopień lądowania (Descent Stage); oraz łazik (MSL Rover). Konstrukcja łazika jest oparta na doświadczeniach zebranych podczas misji łazików Sojourner oraz Mars Expolration Rover (MER) Spirit i Opportunity z licznymi unowocześnieniami. System lądowania jest całkowicie nowy. Całkowita masa sondy wynosi 3 300 kilogramów.

[Scorus]

STOPIEŃ REJSOWY
Stopień rejsowy pozwala na bezpieczne przetransportowanie łazika na Marsa. Jego masa wynosi 400 kilogramów. Projekt tego elementu jest oparty na podobnych stopniach zastosowanych w misjach Mars Pathfinder oraz Mars Exploration Rover. W czasie startu jest połączony z górnym stopniem rakiety nośnej za pomocą odpowiedniego pierścieniowego łącznika, a przed wejściem w atmosferę Marsa zostanie oddzielony od osłony aerodynamicznej zawierającej łazika i spłonie w atmosferze. Stopień ten ma kształt niskiego walca o średnicy 4 metrów (13 stóp). Głównym jego elementem jest centralna struktura w formie walca. Jest wykonana ze stopów aluminium. Z nią od dołu połączony jest główny radiator oraz łącznik z górnym stopniem rakiety nośnej. Na żebrach łączących się  z górną częścią struktury umieszczone zostały powierzchnie nośne dla czterech paneli słonecznych dostarczające energii elektrycznej. Wyprodukowana energia jest zużywana na bieżąco, a także ładuje baterie chemiczne stosowane w czasie gdy panele są skierowane w stronę Słońca w czasie manewrów. Panele tworzą okrągły pierścień wokół pojazdu.

W trakcie lotu na Marsa stopień rejsowy może wykonać 5 lub 6 korekt trajektorii. Służy do tego niewielki system napędowy składający się z 8 silniczków. Paliwo w postaci hydrazyny jest zgromadzone w dwóch kulistych zbiornikach wykonanych z tytanu.

Pojazd jest stabilizowany obrotowo. Może obracać się wokół centralnej osi w tempie 2 rmp. Układ nawigacyjny składa się z sensorów gwiazd i Słońca oraz z bezwładnościowego układu odniesienia. System awioniki modułu napędowego łączy komputer nawigacyjny łazika z sensorami nawigacyjnymi. Komputer łazika stale monitoruje stan całej sondy i wysyła dane na Ziemię.

Łączność zapewnia antena niskiego zysku (Cruise Low-gain Antenna) oraz antena średniego zysku (Cruise Medium-Gain Antenna). Obie anteny pracują w paśmie X. Antena niskiego zysku została zainstalowana na wewnętrznym pierścieniu struktury mechanicznej pojazdu. Służy do łączności w małej odległości od Ziemi. Antena średniego zysku znajduje się na zewnętrznym pierścieniu struktury pojazdu. Służy do łączności w dużej odległości od Ziemi, gdzie konieczne jest większe skupienie wiązki.

Do monitorowana temperatury służą termostaty, które umożliwiają włączanie lub wyłączanie systemów chłodzących i ogrzewających w zależności od potrzeby. System odrzucania ciepła (Cruise Heat Rejection System - CHRS) składa się z pomp pomiędzy którymi krążą ciecze chłodzące. Jest on połączony z wewnętrznym obiegiem chłodzącym łazika. Odbiera też ciepło z awioniki stopnia rejsowego.  Wypromieniowywanie ciepła umożliwia radiator główny oraz dodatkowe radiatory umieszczone po bokach stopnia rejsowego. Ogrzewanie umożliwią grzejniki, a utrzymywanie ciepła - wielowarstwowa izolacja termiczna. 

[Scorus]

OSŁONA AERODYNAMICZNA
Osłona aerodynamiczna jest kapsułą zawierającą łazik i stopień lądowania. Umożliwia bezpieczne wejście w atmosferę Marsa. W całości jej masa wynosi 525 kilogramów. Składa się z osłony górnej (Backshield), oraz osłony termicznej (Heatshield). Oba elementy składają się z odpowiednio ukształtowanych płyt albuminowych o strukturze plastra miodu pokrytych kompozytem grafitowo – epoksydowym.

[Scorus]

Osłona górna zamyka kapsułę od góry, i łączy się ze stopniem rejsowym. Zawiera spadochron, układy elektroniczne i baterie pozwalające na uruchomienie ładunków pirotechnicznych oddzielających osłonę dolną, oraz silnik inicjujący rozkładanie spadochronu. Ma wysokość 1391 mm. Od góry jest połączona ze strukturą osłaniającą mechanizm spadochronu o wysokości 369 mm. Jej górna pokrywa jest odrzucana pirotechnicznie.

Spadochron ma średnicę 21.5 metra. Posiada 80 linek. Jego całkowita długość wynosi 80 metrów. Może zostać otwarty przy szybkości do 2.2 macha. Generuje 289 kN siły hamującej w atmosferze marsjańskiej. Spadochron jest przeskalowaną wersją spadochronów sond Viking (o średnicy 16.15 m). Jest to największy spadochron przeznaczony do wykonania lądowania na innej planecie.

W osłonie tej umieszczono też balasty wyrzucane przez znajdujące się w niej otwory. Pozwala on na przesunięcie środka ciężkości kapsuły. Dwie masy balastowe (Cruise Balance Masses - CBMs) są przeznaczone do wyrzucenia przed wejściem w atmosferę. Spowoduje to przesunięcie środka ciężkości i pozwoli na uzyskanie nominalnego stosunku siły nośnej dl wleczenia na poziomie 0.24 przy szybkości 24 Machów. 6 dalszych mas balastowych (Ejectable Mass Balance Devices - EBDMs) zostanie wyrzuconych na chwilę przed rozłożeniem spadochronu. Zestaw ma masę 25 kg. Jego wyrzucenie pozwoli na zredukowanie kąta natarcia z 20 stopni do 0 stopni.

[Scorus]

Osłona termiczna zamyka kapsułę od dołu i chroni pojazd przed wysokimi temperaturami w trakcie wejścia statku w atmosferę Marsa. Pozwala także na znaczne spowolnienie sondy w trakcie wczesnego etapu opadania. Jest oddzielana pirotechnicznie. Ma średnicę 4.5 m i wysokość 897.5 mm. Jej masa wynosi 78 kilogramów (172 funty). Jest to największa osłona jaką do tej pory zbudowano. Pierwotnie planowano wykorzystanie w niej ablatora SLA-561V użytego z powodzeniem w misjach Viking, Mars Pathfinder, Genesis (w osłonie tylnej) i Stardust (w osłonie tylnej). Materiał ten nie przeszedł jednak serii testów. Wykazały one, że może on spowodować dużą ilość sytuacji potencjalnie katastrofalnych. Został więc zastąpiony materiał PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) zastosowany wcześniej w osłonie termicznej sondy Stardust. Ablator osłony jest złożony z oddzielnych płytek. Wymusiły to duże rozmiary osłony. W przypadku Stardust zastosowano natomiast pojedynczy element. Osłona MSL jest pierwszą osłoną ablacyjną zbudowaną z płytek jaką opracowano w NASA. Sam materiał PICA zbudowany jest z substratu złożonego z włókien węglowych, tzw FiberForm opracowanego przez firmę Fiber Materials Inc. (FMI). Jest on przesycony fenolem. Ma małą gęstość i jest bardzo lekki. Badania kapsuły sondy Stardust zademonstrowały, że w czasie lotu międzyplanetarnego zachowuje się bardzo dobrze. Nie znaleziono większych anomalii. Przestrzenie pomiędzy płytkami PICA są wypełnione materiałem adhezyjnym RTV-560.

[Scorus]

STOPIEŃ LĄDOWANIA
Stopień lądowania, tzw Scykrane jest  zestawem połączonym od góry z osłoną górną. Przedstawia on zupełnie nowy sposób lądowania. Wielkość i masa łazika wykluczają zastosowanie otwieranego lądownika i poduszek powietrznych, jak to miało miejsce w przypadku misji Mars Pathfinder i Mars Exploration Rover.

Stopień ten zostanie oddzielony od osłony górnej za pomocą urządzeń pirotechnicznych. Od dołu jest połączony z łazikiem. Obdzielenie łazika jest inicjowane również przez systemy pirotechniczne. Po obdzieleniu  łazik będzie z nim połączony za pomocą trzech wyciąganych lin o długości 7.5 metra oraz rozwijanego kabla do wymiany danych.

System obsługujący liny i kabel do wymiany danych (Bridle and Umbilical Device - BUD) jest złożony ze szpuli zawierającej liny i hamulca elektromagnetycznego zmniejszającego szybkość opuszczania łazika. Trzy liny rozchodzą od wspólnego punktu zlokalizowanego blisko środka masy stopnia lądowania. Dzięki temu opuszczanie łazika nie wprowadzi większych zaburzeń orientacji przestrzennej. Do łazika są przymocowane w trzech miejscach. Ich przecięcie nastąpi po stronie łazika. Ponadto BUD zawiera sprężynę odciągającą liny po och przecięciu.

Masa stopnia lądowania bez paliwa wynosi 544 kilogramów. Masa paliwa to 400 kilogramów. Jest on zbudowany z 6 paneli podbierających 3 zbiorniki paliwa, 2 zbiorniki gazu podnoszącego ciśnienie w systemie paliwowym oraz jednostki awioniki. Paliwem jest hydrazyna jednoskładnikowa. Na 4 układach podpierających wybiegających z zespołu centralnego umieszczono 4 zespoły silników używanych podczas lądowania (Mars Landing Engine - MLE). W skład każdego zestawu wchodzą 2 silniki. Stopień ten posiada łącznie 8 silników. Konstrukcja silników MLE jest oparta na silnikach lądowników Viking. Uwzględniono w nich aktualnie używane materiały. Ponadto zastosowano nowy zawór przepustnicowy (Throttle Valve Assembly - TVA) pozwalającego na uzyskanie przepływu paliwa niezależnego od wahań ciśnienia. Ciąg silników wynosi 3.1 kN.

[Scorus]

Na osobnej ażurowej strukturze podpierającej umieszczono sensor używany w końcowej fazie lądowania (Terminal Descent Sensor - TDS). Służy on do pomiarów szybkości opadania względem powierzchni. Dostarcza pomiarów z wysoką precyzją nawet przy nieznanych wartościach pochylenia zboczy. Zbudowany jest z 6 niezależnych układów radarowych. Pracują one w paśmie Ka (centralna częstotliwość 35.75 GHz) Jedna z wiązek jest skierowana w stronę nadiru. Dwie wiązki są odchylone od nadiru o 20 stopni, a dwie pozostałe - o 50 stopni. Zasada pomiarów opiera się na rejestracji przesunięć dopplerowskich.

Zestaw silników pozwoli na zmniejszenie szybkości opadania. Orientacja przestrzenna zespołu będzie kontrolowana za pomocą bezwładnościowego układu pomiarowego (Inertial Measurement System - IMU) Następnie łazik zostanie opuszczony na 3 linach i rozłoży swoje koła. Liny zostaną od niego oddzielone za pomocą urządzeń pirotechnicznych. Łazik wyląduje następnie na swoich kołach. Szybkość w czasie uderzenia w grunt będzie stosunkowo niewielka, wyniesie około 1 m/s. Uderzenie zostanie zamortyzowane przez układ zawieszenia. Nie zastosowano do tego celu żadnych specjalnych urządzeń. Stopień lądowania natomiast odleci na jakiś dystans i spadnie na powierzchnię w odległości większej od 100 metrów od łazika.

[Scorus]

ŁAZIK
Łazik jest zasadniczą sondą kosmiczną wyposażoną w instrumenty naukowe. Jego masa wynosi 900 kilogramów. Ma on kształt prostopadłościanu.

Główną częścią łazika jest jego zasadnicza struktura (Warm Electronics Box - WEB). Zawiera układy elektroniczne, komputer, baterie i inne układu. Umożliwia utrzymywanie ich w stałej temperaturze. Kontrolę temperatury zapewnia złota farba na niektórych elementach, izolacje z aerożelu, grzejniki, termostaty i radiatory. Część ciepła jest produkowana przez komponenty elektroniczne łazika. Niektóre elementy zawierają też odpowiednie grzejniki. Łazik ponadto posiada system usuwania ciepła (Heat Rejection System - HRS). Składa się on z zestawu rur wypełnionych płynem przenoszącym ciepło i pomp sterujących jego przepływem. Całkowita długość rur to 60 m. System ten służy do odprowadzania odpadowego ciepła z generatora RTG. Ciepło to jest następnie wykorzystywane do ogrzewania komponentów łazika. Jego nadmiar jest usuwany poprzez radiatory umieszczone koło Generatora RTG. HRS może też odprowadzać nadmiar ciepła z innych systemów łazika. Baterie łazika wymagają odrębnej kontroli temperatury. Zapewniają ją obok HRS osobne chłodziarki termoelektryczne (Thermo Electric Coolers - TEC) i osobne grzejniki. Radioizotopowe jednostki grzewcze nie zostały zastosowane w żganym z elementów łazika. System kamer łazika jest utrzymywany w kontrolowanych temperaturach dzięki grzejnika elektrycznym.

Na górnej powierzchni WEB znajdzie się pokład wyposażenia (Rover Equipment Deck - RED) na którym została umieszczona antena paraboliczna dużego zysku (High Gain Antenna - HGA); antena niskiego zysku (Low Gain Antenna - LGA), antena UHF (UHF Antenna); maszt teledetekcyjny (Remote Sensing Mast - RSM) zakończony kamerami; oraz cele kalibracyjne kamer. RED znajduje się na wysokości 1.1 metra nad powierzchnią.

[Scorus]

System jezdny jest w zasadzie taki sam jak na łazikach MER. Jest w dużej mierze oparty na łaziku Sojourner. Z powodu dużych rozmiarów łazika podczas projektowania silników poruszających kołami oraz smarów napotkano na liczne trudności. Układ zawieszenia pozwala na poruszanie się na skałach większych o średnicy kół. Łazik porusza się za pomocą 6 kół o średnicy 0.5 m. Koła zostały przymocowane do dźwigni układu zawieszenia. Każde posiada własne silniczki. Kołami przednimi i tylnymi można kierować niezależnie. Podczas jazdy stasowane jest autonomiczne oprogramowanie wykorzystujące wizualne śledzie celu. Technika ta została przetestowana podczas misji MER. MSL może przejechać do 50 metrów automatycznie omijając duże skały i inne przeszkody. Duże rozmiary łazika ułatwiają jego przemieszczanie się. Główna struktura łazika znajduje się na wysokości 66 cm ponad powierzchnią, dzięki czemu może on przejechać nad większymi skałami niż łaziki MER. Może jeździć na powierzchniach o nachyleniu do 45 stopni, ale rozpoczęcie jazdy po powierzchniach o nachyleniu powyżej 30 stopni jest automatycznie blokowane przez jego oprogramowanie. Maksymalna szybkość jazdy to 90 metrów na godzinę. Szybkość średnia będzie jednak wynosiła około 30 metrów na godzinę. Będzie uzależniona od dostępnego zasilania, trudności terenowych, nachylenia zboczy i widoczności.

[Scorus]

Energii elektrycznej dostarcza radioizotopowy generator termoelektryczny zaprojektowany dla różnorodnych misji (Muliti-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator - MMRTG). Został opracowany przez Boeinga. Znajduje się na tylnym końcu WEB, razem z radiatorami. Przetwarza on na energię ciepło powstałe podczas rozpadu plutonu-238 w postaci tlenku plutonu (PuO2). Energia ładuje baterie chemiczne z możliwością wielokrotnego ładowania. Początkowa produkcja energii to 2.5 kilowatogodzin na dzień. Minimalny okres trwałości MMRTG to 14 lat.

[Scorus]

Maszt teledetekcyjny RSM znajduje się w przedniej części RED, po lewej stronie łazika. W czasie lotu i lądowania będzie znajdował się na powierzchni RED. Zostanie rozłożony po lądowaniu. Na jego końcu znajduje się montaż kamer. Może on obracać się i pochylać. Jego górną część zajmuje jednostka masztowa ChemCam. Poniżej umieszczono dwie głowice kamery MastCam. Po bokach, na zewnątrz w stosunku do głowic MastCam znajdują się 4 głowice NavCam. Szczyt RSM znajduje się na wysokości 2.1 m ponad gruntem. Poniżej zestawu kamer znajdują się dwa niewielkie wysięgniki sensorów meteorologicznych pakietu REMS.

Z przodu WEB, poniżej RED znajdzie się zrobotyzowane ramię (Robotic Arm - RA) służące do pobierania próbek będący częścią systemu pobierania, obróbki i dostarczania próbek (Sample Acquisition, Processing, and Handling System - SA/SPaH). Na jego końcu zostały umieszczone instrumenty służące do bezpośrednich badań skał i gleb, a także wyposażenie służące do pobierania próbek skał i gleb celem ich przebadania w instrumentach analitycznych w zasadniczej strukturze pojazdu.

[Scorus]

Łazik posiada system kamer inżynieryjnych (Engineering Camera System). Kamery te są identyczne z zestawem kamer inżynieryjnych zastosowanych na łazikach MER. W skład systemu kamer inżynieryjnych wchodzą cztery kamery nawigacyjne (Navigation Camera - NavCam) i cztery kamery unikania niebezpieczeństw (Hazard Identyfication Camera - HazCam). Kamery HazCam są ustawione parami na przedzie i z tyłu WEB. Wykonują zdjęcia czarno - białe za pomocą detektora CCD o wymiarach 1024 x 1024 piksele. Ich pole widzenia ma wymiary ok. 120 x 120 stopni. Obserwują teren na odległość ok. 3 m od łazika wypatrując drobnych przeszkód na trasie jego wędrówki. Obrazy są interpretowane przez oprogramowanie pojazdu, które omija wykryte przeszkody. Dwie kamery nawigacyjne są ustawione na wysięgniku kamer, obok głowic kamery MastCam. Dają stereoskopowe, czarno - białe obrazy o rozdzielczości niższej od MastCam. Ich detektor CCD ma wymiary 1024 x 1024 piksele. Pole widzenia ma wymiary 45 x 45 stopni. Obrazy są używane w nawigacji, ale umożliwiają także identyfikację przeszkód i omijanie ich.

[Scorus]

Łączność z Ziemią odbywa się w paśmie X przez antenę kierunkową dużego zysku i omnikierunkową antenę małego zysku. Antena UHF posłuży do wymiany danych z orbiterem Mars Reconnaissance Orbiter (MRO). Dane przed transmisją są składowane na pokładzie w pamięci masowej.

System komputerowy łazika zbudowany jest z dwóch identycznych komputerów (Rover Compute Element - RCE). W przypadku awarii jednego z komputerów jego funkcje może przejąć drugi. Komputery stale monitorują stan systemów łazika. Operacje za pomocą instrumentów naukowych są przeprowadzane zgodnie z sekwencjami przesyłanymi z Ziemi. W komputerach użyto procesorów RAD750 (400 MIPS), unowocześnione wersji procesora RAD6000 łazików MER (35 MIPS). Pamięć EEPROM ma rozmiar 256 kB, DRAM - 256 MB, a Flash - 2 GB. Dla porównania pamięci te na łazikach MER mają objętości kolejno 3 MB, 128 MB i 256 MB. Pojazd jest wyposażony w trójosiowy bezwładnościowy układ pomiarowy IMU. Pozwala on na określanie orientacji przestrzennej do celów nawigacyjnych.

[Scorus]

System pobierania, obróbki i dostarczania próbek SA/SPaH jest odpowiedzialny za uzyskiwanie próbek skał i gleb, mielenie ich na drobne ziarna i dostarczanie ich do instrumentów analitycznych łazika (SAM i CheMin). Jest on również odpowiedzialny za umieszczanie na powierzchni badanych obiektów instrumentów APXS i MAHLI. System ten jest złożony z ramienia RA oraz struktury na jego końcu, zawierającej system wiercący pozwalający na zyskanie sproszkowanego materiału (Powder Acquisition Drill System - PADS); system uzyskiwania próbek do analizy wewnątrz łazika (Collection and Handling for Interior Martian Rock Analysis - CHIMRA); narzędzie usuwające pył (Dust Removal Tool - DRT) oraz mechaniczne i elektryczne interfejsy dla instrumentów APXS i MAHLI. Ponadto obejmuje dwa zasobniki wierteł (Bit Box), organiczny materiał testowy (Organic Check Material - OCM), tacę obserwacyjną (Observation Tray) umieszczone z przodu łazika, oraz pokrycia wlotów kanałów doprowadzających próbki do SAM i CheMin (Instrument Inlet Covers) na zasadniczej strukturze łazika.