Technologie

Napęd

Mars Science Laboratory jest trzecią misją NASA, w której wykorzystuje się rakietę nośną z rodziny Atlas V.

Zasilanie

Mars Science Laboratory użyje radioizotopowego generatora termoelektrycznego do wytwarzania energii elektrycznej potrzebnej do obsługi łazika oraz jego aparatury. Użycie zasilania oraz ogrzewania radioizotopowego daje misjom badawczym większą żywotność, zwiększa możliwości wyboru miejsca lądowania i ogólnie zapewnia więcej energii oraz ciepła niż zasilanie słoneczne.

Radioizotopowe generatory termoelektryczne produkują energię elektryczną z naturalnego promieniotwórczego rozpadu plutonu-238. Radioizotop ten nie ma zastosowań zbrojeniowych i używany jest w systemach zasilania statków kosmicznych NASA. Ciepło wydzielane podczas rozpadu promieniotwórczego zamieniane jest na energię elektryczną, zapewniając tym samym stałe zasilanie, bez względu na porę roku czy dnia.

Po raz pierwszy radioizotopowe generatory termoelektryczne zostały wykorzystane przez amerykańskie pojazdy kosmiczne ponad czterdzieści lat temu. Ich główną zaletą jest ciągłe, długotrwałe działanie, niezależne od nasłonecznienia. Systemy te mają niewielką lub zerową wrażliwość na chłód, promieniowanie i inne niekorzystne zjawiska występujące w przestrzeni kosmicznej. Ponad dwa tuziny pojazdów kosmicznych NASA przeprowadziły swoje misje korzystając z takich systemów zasilania i/lub ogrzewania.

Niezawodny system zasilania o długim okresie sprawności jest ważny dla przyszłych, coraz bardziej skomplikowanych, misji na Marsa. NASA wraz z Departamentem Energii Stanów Zjednoczonych opracowuje nową generację takich jądrowych systemów zasilania, aby można było przeprowadzać jeszcze bardziej różnorodne misje badawcze. Systemy te doskonale nadają się do misji związanych z samodzielnymi działaniami w ekstremalnych warunkach kosmicznych i na powierzchni planety.

Jeden z takich systemów zasilania kosmicznego następnej generacji, wielozadaniowy radioizotopowy generator termoelektryczny (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator), został wybrany jako system zasilania dla misji Mars Science Laboratory. Użycie tego źródła energii zapewni:

Dostęp do większych obszarów Marsa

Taki rodzaj zasilania zapewni misji żywotność, równą pełnemu rokowi marsjańskiemu (687 dni ziemskich – trochę mniej niż dwa lata). Jednocześnie umożliwi on poruszanie się po stosunkowo dużej szerokości geograficznej (dzięki niezależności od nasłonecznienia). Oznacza to, że łazik będzie miał dostęp do większych obszarów Czerwonej Planety, co zapewni planistom większy wybór miejsca lądowania w którym mogły lub mogą występować warunki odpowiednie do podtrzymania życia. Dzięki większemu obszarowi badawczemu, Mars Science Laboratory może osiągnąć swój cel badawczy, którym jest przeanalizowanie dawnego i obecnego potencjału planety do rozwoju i utrzymywania życia.

Większą łatwość poruszania się, większą elastyczność operacyjną oraz większy potencjał badawczy

W porównaniu do alternatywnego zasilania słonecznego, łaziki zasilane radioizotopowym generatorem termoelektrycznym mają znacznie większą łatwość poruszania się, elastyczność operacyjną oraz ładowność.

Stabilność termiczną

Radioizotopowy generator termoelektryczny jest również niezbędny do utrzymania stałej temperatury łazika. Ciepło powstające podczas pracy generatora będzie krążyć po instalacji, utrzymując przyrządy, komputery, urządzenia mechaniczne oraz system telekomunikacyjny w bezpiecznej temperaturze. Tak osiągana stabilność termiczna maszyny nie wymaga wykorzystywania prądu. Nie ma też potrzeby użycia radioizotopowych grzejników do ogrzewania miejscowego.

Zoptymalizowane zasilanie oraz długą żywotność

Minimalna żywotność radioizotopowego generatora termoelektrycznego, tj. okres w którym dostarcza on optymalnego zasilania, wynosi czternaście lat.

Mniejsze wymiary i mniejszą wagę

Mniejsze wymiary generatora dają większą elastyczność przy projektowaniu statku kosmicznego i samej misji. Generator MMRTG est znacznie lżejszy od alternatywnego zasilania słonecznego.

Bezpieczeństwo

Konstrukcja radioizotopowego generatora termoelektrycznego zapewnia wysoki poziom bezpieczeństwa. Udoskonalony projekt uniwersalnego modułu GPHS (General Purpose Heat Source), w którym zamknięty jest pluton (paliwo dla generatora) zapewnia dodatkowe bezpieczeństwo w przypadku zderzenia lub niezamierzonego powrotu do atmosfery.

Łączność

Łazik Mars Science Laboratory będzie mógł „rozmawiać” z Ziemią korzystając z każdej ze swoich trzech anten. Podczas misji łazik będzie głównie używał częstotliwości UHF podobnej do tej używanej podczas transmisji telewizyjnych. W trakcie takich „rozmów”, które będą odbywać się dwa razy dziennie, naukowo-telekomunikacyjna sonda Mars Reconnaissance Orbiter, obecnie znajdująca się nad Marsem, będzie służyć za przekaźnik i zapisywać informacje do przesłania na Ziemię. Każda „rozmowa” trwać będzie około piętnastu minut – jest to czas, w jakim MRO pokonuje drogę od „wschodu” (pojawienia się na niebie) do „zachodu” (zajścia za horyzont). Po zakończeniu połączenia sonda prześle informacje na Ziemię.

W ostateczności sonda kosmiczna Mars Oddysey, obecnie również przebywająca na orbicie Marsa, może posłużyć za sondę pomocniczą, która przekaże informacje w podobny sposób, co Mars Reconnaissance Orbiter. Sonda Mars Oddysey przesyłała większość danych zebranych przez łaziki Spirit i Opportunity, od momentu ich lądowania na Czerwonej Planecie w 2004 roku. Od czasu do czasu pomocą może również posłużyć sonda kosmiczna Mars Express należąca do Europejskiej Agencji Kosmicznej.

Łazik wyposażony jest także w dwie inne anteny do bezpośredniej komunikacji z Ziemią. Podobne anteny miały: lądownik Viking w latach 70-tych, sonda kosmiczna Pathfinder w latach 90-tych oraz łaziki Spirit i Opportunity. Są to anteny niskiego oraz wysokiego zysku (Low-Gain Antenna, High-Gain Antenna). Obie przypominają anteny satelitarne, jednak do przekazywania sygnałów wykorzystują znacznie wyższą częstotliwość, znaną, jako częstotliwość pasma X. Dzięki niej można w określonym czasie przekazywać więcej danych, korzystając ze słabszych i krótszych fal, ale wiązka transmisyjna musi być dokładnie ukierunkowana, żeby można było ją odebrać.

Antena niskiego zysku, przesyłająca szersze i mniej skupione wiązki sygnałów, będzie głównym łącznikiem łazika z Ziemią przez kilka pierwszych soli (dni marsjańskich) po lądowaniu. Sygnał nadawany przez tę antenę rozchodzi się we wszystkich kierunkach, więc nie ma znaczenia, w którą stronę jest skierowana, gdyż sygnał i tak dotrze na Ziemię. Gdy kontrolerzy misji określą dokładne położenie łazika na powierzchni oraz jego orientację (położenie względem Słońca i Ziemi), przełączą Curiosity na antenę wysokiego zysku. Ten rodzaj anteny wysyła bezpośrednio na Ziemię zdecydowanie skuteczniejszą (ale też bardziej ukierunkowaną) wiązkę, która będzie odebrana, jak wszystkie transmisje z Marsa, przez anteny Sieci Dalekiej Łączności Kosmicznej (Deep Space Network).

Łazik Mars Science Laboratory może również nawiązać łączność korzystając z systemu komunikacji Elektra, który znajduje się na pokładzie naukowo-telekomunikacyjnej sondy Mars Reconnaissance Orbiter. System ten odegra istotną rolę w określaniu dokładnego położenia łazika, tak jak w przypadku innych statków kosmicznych przebywających na powierzchni Marsa lub jego orbicie.

Oprogramowanie

Łazik Mars Science Laboratory, jak wszystkie statki kosmiczne, wyposażony jest w komputer główny, który ciągle monitoruje jego stan, sprawdza czy wszystkie polecenia są wykonywane oraz utrzymuje łączność z Ziemią i statkami kosmicznymi krążącymi wokół Marsa. Tak jak łaziki z misji bezzałogowych Mars Exploration Rovers oraz Pathfinder, Curiosity będzie omijać zagrożenia na powierzchni Marsa korzystając z oprogramowania nawigacyjnego, opracowanego w ramach programu technologii marsjańskich (Mars Technology Program).

Inżynierowie na Ziemi codziennie będą wysyłać ciąg poleceń komputerowych określających zadania dla łazika na ten dzień. Eksperci ds. oprogramowania będą natomiast okresowo wysyłać uaktualnienia oprogramowania tak, jak podczas misji Mars Exploration Rovers. Zanim ciągi poleceń zostaną wysłane na Marsa, będą testowane na Ziemi przy użyciu łazików zastępczych, w warunkach podobnych do tych, które występują na Czerwonej Planecie.

Naprowadzane wejście na orbitę

Techniki precyzyjnego lądowania zapewniają wysoki stopień bezpieczeństwa misji. Dzięki naprowadzanemu wejściu na orbitę, dokładność lądowania misji Mars Science Laboratory zwiększy się z setek do jedynie dwudziestu kilometrów, co umożliwi wykluczenie przynajmniej części zagrożeń, które mogą się pojawić, gdy elipsa lądowania jest większa (m. in. prawdopodobieństwa wylądowania na stromych zboczach lub wyjątkowo skalistym terenie). Jest to też krok w kierunku rozwinięcia technik bardzo precyzyjnego lądowania – dokładnie w wybranym miejscu. Techniki takie byłyby przydatne przy realizowaniu niektórych przyszłych celów badawczych oraz korzystne z inżynieryjnego punktu widzenia. Pozwalałyby one bowiem unikać niebezpieczeństw przy lądowaniu – np. dużych skał w rejonie lądowiska – i niwelowały problemy związane z nagłymi podmuchami wiatru przy powierzchni podczas lądowania.

Mars Science Laboratory będzie pierwszą misją planetarną, która skorzysta z technik precyzyjnego lądowania. Aby sprostać wymogom naprowadzanego wejścia na orbitę, zostanie ona wyposażona w komputer pokładowy, naprowadzający na wcześniej określony teren lądowania. Nowością jest też możliwość odbierania informacji podczas wejścia na orbitę i lądowania.

Podejście do lądowania na silnikach

Mars Science Laboratory, w przeciwieństwie do wcześniejszych bezzałogowych misji NASA, nie wyląduje na powierzchni Marsa z pomocą poduszek powietrznych, lecz zostanie na nią opuszczony. Gdy spadochron znacznie spowolni pojazd, a osłona termiczna, która chroni przed silnym tarciem podczas wchodzenia w atmosferę, zostanie zrzucona, lądownik rozpocznie powolne opuszczanie łazika na powierzchnię Marsa. Rakiety hamujące ustabilizują pojazd, chroniąc go przed wiatrami poziomymi. Łaziki Spirit i Opportunity były opuszczane za pomocą jednej liny, natomiast Curiosity zostanie opuszczony przy użyciu trzech lin oraz elektrycznej “pępowiny”.

Mars Science Laboratory będzie “gotowy do wymarszu” zaraz po wylądowaniu, gdyż podczas opadania na powierzchnię zrzuci swoja powłokę ochronną, a jego podwozie zostanie wypuszczone. Dla porównania, łaziki misji Mars Exploration Rovers musiały czekać ze startem wyprawy, aż rozłożą się „płatki” ich lądownika.

Obrazowanie podejścia do lądowania

Obrazowanie podejścia do lądowania oznacza, w wypadku tej misji fotografowanie otoczenia podczas wchodzenia na orbitę i lądowania. Jest to zaawansowana technika rozpoznawania terenu, która mogłaby być wykorzystana przy kolejnych misjach do wykrywania i unikania niebezpieczeństw na powierzchni. W trakcie misji łazika Curiosity będzie ona służyła do innych celów – dzięki niej zespoły odpowiedzialne za misję będą mogły ustalić dokładne miejsce lądowania łazika, korzystając ze zdjęć powierzchni Marsa zrobionych podczas podchodzenia do lądowania.

Skutkiem będą nie tylko niesamowite materiały graficzne. Zebrane dane pozwolą naukowcom i inżynierom na wstępną analizę procesów geologicznych na powierzchni planety, rozpoczęcie badań poziomego profilu wiatru, stworzenie szczegółowych map geomorfologicznych i plastycznych map terenu oraz planowanie przyszłej „wędrówki” łazika.

Większy spadochron

Spadochron Mars Science Laboratory, który posłuży do zmniejszenia prędkości podczas wejścia na orbitę, opadania i lądowania, powstał w ramach długotrwałego programu rozwoju technologii spadochronów do zastosowań marsjańskich. Jest podobny do spadochronów wykorzystanych podczas misji Viking, Pathfinder oraz Mars Exploration Rovers.

Najważniejszym parametrem spadochronu jest jego siła nośna (wytwarzana, gdy czasza spadochronu jest otwarta). Jest ona obliczana na podstawie gęstości atmosfery, prędkości, powierzchni oporowej spadochronu oraz masy. Projekt spadochronu dla misji Mars Science Laboratory pozostaje zasadniczo bez zmian względem poprzedników, ale jego powierzchnia jest o 10% większa niż tego z misji Mars Exploration Rovers (przy mniejszym ciężarze ładunku), który z kolei był o 40% większy niż spadochron misji Pathfinder.

Rysunek CAD/CAM lądownika i łazika.

Rysunek przedstawia sposób, w jaki łazik będzie opuszczany na linie podczaswchodzenia na orbitę, zniżania i lądowania. Źródło: NASA/JPL
Lądownik

Mars Science Laboratory będzie pierwszą misją marsjańską wykorzystującą technikę „miękkiego lądowania”. Z powodu dużej masy Curiosity, inżynierowie nie mogli użyć znanego już systemu poduszek powietrznych. Łazik jest znacznie większy i obszerniej wyposażony, dlatego też inżynierowie zaprojektowali lądownik, który opuści łazik na powierzchnię.

Po tym, jak spadochron zmniejszy prędkość statku, a osłona termiczna (która ochrania łazik podczas wejścia w atmosferę) zostanie zrzucona, lądownik oddzieli się od osłony górnej i, przy pomocy czterech silników, dodatkowo spowolni łazik, aby zmniejszyć wpływ wiatrów poziomych. Gdy prędkość pojazdu będzie niemal zerowa, łazik oddzieli się od lądownika – zostanie miękko opuszczony na powierzchnię, przy pomocy trzech lin i jednego specjalnego kabla („pępowiny”). Kiedy komputer pokładowy wyczuje, że cały proces przebiegł pomyślnie, odetnie liny i tym samym umożliwi lądownikowi odlecenie – po wykonaniu zadania lądownik rozbije się, z dala od Curiosity.

Układ jezdny

Mars Science Laboratory skorzysta z wielu technologii wykorzystanych podczas misji Mars Exploration Rovers (oraz wcześniejszej misji Mars Pathfinder):

  • sześciokołowego pojazdu,
  • zawieszenia typu rocker-bogie,
  • umieszczonych na maszcie urządzeń do skanowania otoczenia, które pomogą w wyborze obiektów do badania oraz w pokonywaniu wytyczonej drogi,
  • autonomicznego oprogramowania nawigacyjnego, które umożliwi łazikowi samodzielne udanie się w określone miejsce (bez udziału operatorów).

Układ jezdny pozostaje w zasadzie taki sam jak wcześniej, z tą różnicą, że Mars Science Laboratory jest znacznie większy niż łaziki Spirit i Opportunity. One miały rozmiary „melexów”, a Curiosity to raczej mały samochód kompaktowy.

Dzięki istotnym ulepszeniom oprogramowania testowanym na łazikach Mars Exploration Rovers, do których należy globalne planowanie trasy czy wizualne śledzenie celu, Curiosity będzie w dużym stopniu autonomiczny. Zanim łaziki Spirit i Opportunity pomyślnie skorzystały z tych programów na Marsie, zostały one sprawdzone w ramach programu technologii marsjańskich (Mars Technology Program). To oprogramowanie to mała rewolucja w dziedzinie „inteligencji” łazików – wcześniej mogły one jedynie samodzielnie zaplanować jeden lub dwa ruchy, a obecnie mogą z góry zaplanować całą trasę do miejsca oddalonego o 50 metrów, omijając elementy terenu, które klasyfikują jako przeszkody (np. duże kamienie).

Duże rozmiary łazika Curiosity zapewniają przewagę w poruszaniu się. Sześćdziesięciocentymetrowy prześwit pod pojazdem umożliwia pokonywanie większych kamieni niż dotychczas. Pomaga w tym także układ zawieszenia typu rocker-bogie, który będzie utrzymywał pojazd w równowadze. Ponadto, łazik będzie w stanie wytrzymać przechylenie 45 stopni, jednak pokładowy system ochrony przed uszkodzeniem uniemożliwi przechylenie większe niż 30 stopni.

Rozwiązania technologiczne dla trudnego środowiska

Zmiennie temperatury na Marsie są nie lada wyzwaniem dla termotechników. W rejonie, w którym Curiosity mógł będzie wylądować, temperatury wahają się od 30 do -127 stopni Celsiusza! W związku z tym, niezwykle ważne jest utrzymanie w umiarkowanej temperaturze komputerowego „mózgu” łazika oraz innych kluczowych elementów.

Ponieważ jednym z głównych „zadań” łazika będzie utrzymywanie odpowiedniej temperatury podzespołów, termotechnicy przygotowali trzy metody realizowania tego „zadania”:

  1. Podczas pracy podzespoły wewnętrzne naturalnie wydzielają ciepło, które może posłużyć do ogrzania łazika,
  2. W niektóre elementy zostały wmontowane elektryczne grzejniki,
  3. System odprowadzania ciepła (Heat Rejection System), który zbudowany jest z pomp i zestawu rur wypełnionych płynem, może zgromadzić nadmiar ciepła generowanego przez główne źródło zasilania (radioizotopowy generator termoelektryczny) aby ogrzać łazik. Gdy zajdzie taka potrzeba, będzie również chłodził pojazd.

Baterie łazika mają surowsze wymagania termiczne. Ich temperatura będzie utrzymywana przez system odprowadzania ciepła, moduły Peltiera (Thermo Electric Coolers) oraz grzejniki.

„Ciałem” łazika można nazwać zasadniczą strukturę WEB (Warm Electronics Box), która chroni komputery, natomiast jego “głową” jest druga struktura WEB, umieszczona na szczycie masztu (“szyi”), aby zabezpieczać kamery i wyposażenie naukowe. Przy użyciu ogrzewania elektrycznego, utrzyma ona elementy na maszcie w temperaturze wyższej niż -40 stopni Celsjusza.

Ochrona środowiska pozaziemskiego

Stany Zjednoczone, są sygnatariuszem międzynarodowego traktatu, który zastrzega, że badania przestrzeni kosmicznej muszą być przeprowadzone tak, aby uniknąć przeniesienia ziemskich mikroorganizmów na inne planety. Muszą więc przedsięwziąć środki ostrożności podczas badań. Po pierwsze, Amerykanie nie chcą wyruszyć na Marsa i „odkryć” życia, które sami na tę planetę zabrali. Ponadto, naukowcy pragną zbadać planetę (i ewentualnie rozwijające się na niej życie) w stanie „czystym”.

Główną metodą zapobiegania skażeniu Marsa mikroorganizmami z Ziemi jest zapewnienie czystości sprzętu, który zostanie wysłany na planetę. Łazik Curiosity spełni w tym względzie surowe wymagania: na powierzchni, z której mikroby mogłyby się przedostać na planetę, nie może być więcej niż 300 000 mikroorganizmów łącznie.

Wiele spośród sposobów sterylizowania powierzchni oraz testów na czystość biologiczną było z powodzeniem wykorzystywane wcześniej. Owe techniki sterylizacji powierzchni są skuteczne i uszkadzają sprzętu. Powierzchnie statku przecierane są roztworem alkoholowym przez techników odpowiedzialnych za jego montaż i przygotowanie do startu, po czym zespół ds. ochrony środowiska pozaziemskiego starannie pobiera próbki i przeprowadza testy mikrobiologiczne, w celu potwierdzenia czystości biologicznej.

Inżynierowie przy pracy nad łazikiem Opportunity w sterylnie czystym pomieszczeniu w Centrum Kosmicznym im. Johna F. Kennedy’ego.

Elementy odporne na wysoką temperaturę, jak na przykład spadochron i powłoka termiczna, zostaną podgrzane do minimum 110 stopni Celsjusza, co spowoduje usunięcie wszystkich mikroorganizmów. Natomiast skrzynka zawierająca komputer główny oraz inne ważne urządzenia elektroniczne zostanie uszczelniona i odpowietrzona przy użyciu wysoce skutecznych filtrów powietrza – dzięki temu wszelkie mikroorganizmy pozostaną wewnątrz skrzynki. Niektóre mniejsze przestrzenie zawierające sprzęt elektroniczny również zostaną zabezpieczone w ten sposób.

Kolejnym środkiem ostrożności jest upewnienie się, że żaden inny sprzęt nie wyląduje na Marsie przez przypadek. Kiedy trzeci człon rakiety nośnej Atlas (lądownik) odłączy się od reszty, oba obiekty będą poruszały się po niemal identycznej trajektorii. Trajektorie te zostaną w odpowiednim momencie celowo rozdzielone – po około dziesięciu dniach od odłączenia się, lądownik wykona końcowy manewr poprawiający trajektorię, dzięki czemu łazik wyląduje na Marsie, podczas gdy lądownik ostatecznie ominie planetę.

Chociaż metody sterylizacji i sprawdzania czystości biologicznej są już od dawna opanowane, pewne aspekty ochrony środowiska pozaziemskiego przy misji MSL wymagają zastosowania nowych technologii.

Wymagania dotyczące ochrony środowiska pozaziemskiego nie są uzależnione od wielkości statku. Jak wiadomo, Mars Science Laboratory jest znacznie większy niż dotychczasowe łaziki marsjańskie. Większa jest również jego powierzchnia, zatem trzeba ją tym dokładniej wyczyścić i zbadać, co wymaga dużo czasu i wysiłku.

Aby sprostać tym wymaganiom, Mars Science Laboratory wykorzysta dwie nowe technologie, które pozwolą szybciej sprawdzić, czy powierzchnie są wystarczająco czyste, aby inżynierowie mogli przystąpić do kolejnego etapu montażu. Pierwsza z nich to test z użyciem lizatu amebocytów skrzypłocza (Limulus Amebocyte Lysate), a druga to test przy wykorzystaniu adenozynotrifosforanu (Adenosine Triphosphate). Obie wykrywają cząsteczki, których obecność może być związana z występowaniem mikroorganizmów i obie próby zajmują mniej niż godzinę każda. Jeśli wyniki testów LAL i ATP są wystarczająco niskie (dobre), montaż może być kontynuowany.

Ponadto, Mars Science Laboratory zostanie poddany tradycyjnemu trzydniowemu testowi biologicznemu, w którym bada się rozwój mikroorganizmów w specjalnych naczyniach hodowlanych.