W związku z pomyślnym rozpoczęciem misji MSL, publikujemy tłumaczenie znacznej części informacji o tej misji, dostępnych na stronie NASA, poświęconej MSL (treści z zakładki "Mission").

Tłumaczenie: Katarzyna Kaszorek
Opracowanie: Joanna Jodłowska

Ogólny opis misji

Jest to część długoterminowego programu badania Czerwonej Planety – Mars Exploration Program – prowadzonego przez NASA. Łazik Mars Science Laboratory pomoże ustalić, czy Mars kiedykolwiek był, lub nadal jest, środowiskiem sprzyjającym rozwojowi mikroorganizmów. Innymi słowy, celem misji jest ustalenie potencjału planety do podtrzymania życia.

Łazik Mars Science Laboratory jest większy oraz może pokonywać dłuższe dystanse niż łaziki Sprit i Opportunity, należące do program Mars Exploration Rovers, które rozpoczęły badania Marsa na początku 2004 roku.

Data startu: 26 XI 2011

Miejsce startu: Stacja Sił Powietrznych Cape Canaveral na Florydzie

Oczekiwany przylot na Marsa: VIII 2012

Celem misji Mars Science Laboratory będzie określenie potencjału Marsa do podtrzymania życia. Łazik zostanie wyposażony w najbardziej zaawansowaną technologicznie aparaturę naukową, jaką kiedykolwiek wysłano na powierzchnię tej planety. Zbada on dziesiątki próbek pobranych z gleby i skał: w ich kształcie, strukturze i składzie chemicznym został „zapisany” klimat planety oraz jej budowa geologiczna. Pokładowe laboratorium łazika przebada skały i gleby oraz przeanalizuje właściwości geologiczne okolicy w celu wykrycia pierwiastków biogennych (m.in. form węgla) oraz ustali, jak wyglądało środowisko marsjańskie w przeszłości.

Mars Science Laboratory wykorzysta liczne nowe rozwiązania technologiczne, zwłaszcza do lądowania. Statek kosmiczny opadnie na spadochronie, po czym na kilka sekund przed wylądowaniem opuści łazika na powierzchnię używając lin – będzie to przypominało działanie zawieszonego w powietrzu dźwigu. Kiedy łazik znajdzie się na powierzchni, będzie mógł pokonywać przeszkody do wysokości 75 centymetrów oraz poruszać się z prędkością do 90 m/h. Średnia prędkość łazika, po uwzględnieniu poziomu energii, poślizgu, stromości terenu, widoczności oraz innych czynników, wynosić będzie około 30 m/h.

Łazik zasilany będzie przez radioizotopowy generator termoelektryczny: energia elektryczna wytwarzana będzie z ciepła powstającego podczas promieniotwórczego rozpadu plutonu. Takie źródło zasilania zapewni misji nie tylko żywotność na powierzchni Marsa równą co najmniej jednemu rokowi marsjańskiemu (687 dni ziemskich), lecz także większą łatwość poruszania się i elastyczność. Pozwoli też na zabranie większego laboratorium, zwiększy ładunek badawczy oraz da możliwość zbadania zdecydowanie większego obszaru niż podczas poprzednich misji na Marsa.

Dotarcie Mars Science Laboratory na Marsa, w 2012 roku, będzie wstępem do kolejnej dekady badań. Misja będzie miała ogromne znaczenie dla badań powierzchniowych i eksploracji planety, ponieważ wykaże:

  • że możliwe jest wysłanie bardzo dużego i ciężkiego łazika na powierzchnię Marsa (wiedza zdobyta w ramach misji MSL może zostać potem wykorzystana do przeprowadzenia misji Mars Sample Return, której celem będzie zebranie próbek skał i gleb oraz wysłanie ich na Ziemię do analizy laboratoryjnej),
  • że możliwe jest bardziej precyzyjne lądowanie, w określonym wcześniej obszarze o średnicy 20 km,
  • że możliwe jest poruszanie się po większym obszarze Czerwonej Planety (5-20 km), a zatem zebranie większej ilości zróżnicowanych próbek i przeprowadzenie różnorodniejszych badań.

Cele naukowe

Badania naukowe na Marsie oparte są na „podążaniu za wodą”. Bez wody życie – przynajmniej to,które znamy – nie mogłoby istnieć na planecie.
Cel 1: Ustalenie czy na Marsie kiedykolwiek powstało życie

Pierwszym krokiem do zrozumienia czy na Marsie istnieje lub istniało życie, jest określenie, czy na planecie występowały warunki środowiskowe właściwe dla zaistnienia i podtrzymania życie. Teraz, kiedy dwa łaziki programu Mars Exploration Rover, Spirit i Opportunity, znalazły istotne dowody na to, że kiedyś na powierzchni Marsa utrzymywała się woda w stanie ciekłym, naukowcy mają nadzieję ustalić, czy występowały też inne warunki niezbędne dla życia. Misja Mars Science Laboratory, wyposażona w łazik większy niż oba lądowniki Viking wysłane na Marsa w latach 70-tych, będzie poszukiwała pierwiastków biogennych – do najważniejszych należą: węgiel, wodór, azot, tlen, fosfor i siarka.

Do życia potrzebne są też stosunkowo niewielkie ilości innych pierwiastków, takich jak żelazo, a także źródło energii. Na Ziemi energia pochodzi ze światła słonecznego lub od elektronów poruszających się pomiędzy występującymi w przyrodzie pierwiastkami i związkami chemicznymi. Poza tym, życie wymaga dosyć stabilnego środowiska, żeby znaleźć dla siebie niszę i przetrwać pomimo zagrożeń ( np. erupcji wulkanów czy nadmiernego promieniowania ultrafioletowego).

Misja Mars Science Laboratory zbada obieg dwutlenku węgla oraz cykl hydrologiczny planety. Innymi słowy, będzie starała się ustalić, pod jaką postacią i w jakiej ilości węgiel oraz woda są magazynowane na powierzchni planety lub w jej atmosferze i jak mogło się to zmieniać w czasie.

Naukowcy mają nadzieję określić, czy warunki środowiskowe na Marsie mogły sprzyjać rozwojowi życia. Do interesujących znalezisk mogłyby należeć warstwy skalne wykazujące na obecność wody.

Cel 2: Charakterystyka klimatu Marsa

Kolejnym zadaniem Mars Science Laboratory będzie scharakteryzowanie pradawnego klimatu Marsa oraz procesów klimatycznych zachodzących w niższej i wyższej warstwie atmosfery. Mars w przeszłości był planetą cieplejszą, przez co jego atmosfera mogła być grubsza i wilgotniejsza. Jednak obecnie jest cienka i zimna, a woda zniknęła z powierzchni planety i atmosfery. Prawdopodobnie pozostała na planecie woda uwięziona jest pod powierzchnią w postaci lodu lub w stanie płynnym, jeśli na planecie występują źródła ciepła (np. wulkaniczne „gorące źródła”. Dawna grubsza i wilgotniejsza atmosfera mogła zapewniać lepsze warunki do podtrzymywania życia.

Dzięki Mars Science Laboratory naukowcy będą mogli określić z większą dokładnością skład marsjańskiej atmosfery, dokonując na przykład pomiaru izotopów stabilnych takich pierwiastków jak węgiel (izotopy to atomy tego samego pierwiastka, które mają różne masy ze względu na inną liczbę neutronów w jądrze). Większość pierwiastków o znaczeniu biologicznym ma co najmniej dwa izotopy stabilne. Organizmy często wybiórczo używają konkretnych izotopów, opierając się na ich dostępności oraz masie. Również warunki środowiskowe mają wpływ na występowanie izotopów.

Mars Science Laboratory będzie też poszukiwał biosygnatur, czyli śladów życia – np. gwałtownych zmian w występowaniu izotopów ważnych dla istot żywych – oraz będzie badał skład chemiczny skał, gleb i form geologicznych, poszukując powiązań ze zmianami w atmosferze planety.

Mars Science Laboratory przeanalizuje prawidłowości marsjańskiej pogody, a także zbada występowanie wody, dwutlenku węgla oraz wodoru w atmosferze i przy powierzchni planety. Zmierzy również promieniowanie powierzchniowe, na które składają się: promieniowanie kosmiczne oraz promieniowanie z bombardujących planetę protonów słonecznych i neutronów.


W warstwach skalnych występujących w kraterach i górach zapisana jest historia geologiczna Marsa.

Cel 3: Charakterystyka geologiczna Marsa

Przeszłość Marsa zapisana jest w warstwach powierzchni – jest to mechanizm podobny do tego, dzięki któremu w słojach zapisana jest historia drzewa. Mars Science Laboratory dokona analizy skał oraz profilu glebowego, aby umożliwić nam zrozumienie procesów geologicznych, na skutek których powstawała i zmieniała się skorupa planety oraz jej powierzchnia. W szczególności w trakcie misji prowadzone będą poszukiwania skał, które powstają w obecności wody.

Cel 4: Przygotowanie do wysłania wyprawy załogowej

Jako misja, w ramach której na powierzchnię Marsa wysłany zostanie duży i ciężki ładunek, Mars Science Laboratory utoruje drogę do wysłania sprzętu i pokaźnej infrastruktury, potrzebnej każdej przyszłej wyprawie załogowej. Zdobyte w ramach misji doświadczenie w zakresie precyzyjnego lądowania umożliwi również wysłanie astronautów w konkretne miejsce w bezpieczny i niezawodny sposób.

Lepsza znajomość poziomów promieniowania na powierzchni Marsa pomoże planistom nie tylko zrozumieć potencjalne zagrożenia, na które mogą narazić się przyszłe załogi , ale także zaprojektować rozwiązania chroniące ich zdrowie.

Szczegółowe zadania misji


Mars Science Laboratory może utorować drogę wyprawie załogowej na Marsa.

Aby misja Mars Science Laboratory odpowiednio wspierała osiąganie czterech przedstawionych powyżej ogólnych celów naukowych oraz zrealizowała swój cel właściwy, jakim jest określenie potencjału Marsa do podtrzymania życia, postawiono jej następujące zadania szczegółowe:

Zadania biologiczne:

  1. Ustalenie pochodzenia związków organicznych oraz sporządzenie ich wykazu;
  2. Stworzenie wykazu pierwiastków biogennych (węgiel, wodór, azot, tlen, fosfor, siarka);
  3. Rozpoznanie cech otoczenia, które mogą być skutkami zachodzących na planecie procesów biologicznych.

Zadania geologiczne i geochemiczne:

  1. Badanie składu chemicznego, izotopowego oraz mineralnego powierzchniowych i przypowierzchniowych materiałów geologicznych na Marsie;
  2. Wyjaśnienie procesów, które uformowały oraz zmieniały skały i gleby.

Zadania związane z procesami zachodzącymi na planecie:

  1. Określenie rozwoju i przemian zachodzących w procesach atmosferycznych w długiej perspektywie czasowej (analiza ma objąć okres 4 miliardów lat);
  2. Określenie obecnego stanu, rozmieszczenia oraz obiegu wody i dwutlenku węgla.

Zadanie związane z promieniowaniem na powierzchni Marsa:

  1. Charakterystyka szerokiego spektrum promieniowania powierzchniowego, związanego z promieniowaniem kosmicznym w galaktyce, bombardowaniem przez wysokoenergetyczne protony pochodzące ze Słońca i neutrony wtórne.[1]

     


    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.


    Aparatura naukowa

    Kamera masztowa (MastCam)

    Kamera masztowa (MastCam) będzie używana do tych samych celów, co kamera panoramiczna na wyposażeniu łazików Spirit i Opportunity, ale będzie miała też nowe funkcje. Będzie mogła z dużą szybkością zdobywać dane, w tym filmy, i magazynować je w pamięci. Kompresja oraz próbkowanie zdjęć będą wykonywane przy użyciu zasobów kamery, bez korzystania z pamięci komputera głównego. Wielospektralne stereofotografie wraz z filmami HD i filmami stereofonicznymi pozwolą na intensywniejsze badania fizjografii terenu Marsa, procesów kształtowania krajobrazu, właściwości skał i miałów oraz utrwalą obrazy mrozu, lodu, i związanych z nimi procesów. Funkcja nagrywania filmów zagwarantuje niespotykane dotąd nagrania śladów łazika oraz zjawisk atmosferycznych i meteorologicznych, takich jak chmury, wiry pyłowe czy przenoszenie materiałów powierzchniowych przez wiatr.

    Kamera mikroskopowa (MHLI)

    Kamera mikroskopowa (Mars Hand Lens Imager) jest nowym urządzeniem, które umożliwi geologom na Ziemi przyjrzenie się elementom marsjańskiej rzeźby terenu mniejszym niż średnica ludzkiego włosa. Będzie robić szczegółowe zdjęcia minerałów, tekstur i struktur tamtejszych skał oraz powierzchniowej warstwy gruzu skalnego i pyłu. Dzięki nim naukowcy mogą zobaczyć drobne szczegóły marsjańskich skał i gleb, co pomoże im w analizowaniu procesów, które  ukształtowały Marsa oraz określić, czy środowisko planety sprzyjało rozwojowi życia. Kamera mikroskopowa jest rozbudowaną wersją przyrządu do obrazowania mikroskopowego (microscopic imager) użytego podczas misji łazików Spirit i Opportunity. Zapewnia wysoką rozdzielczość (maksymalnie 2,4 razy większą niż w przypadku łazików MER), a także mniej skomplikowane funkcjonowanie.

    Urządzenie do analiz chemicznych i mineralogicznych metodą dyfrakcji i fluorescencji rentgenowskiej (CheMin)

    Urządzenie do analiz chemicznych i mineralogicznych metodą dyfrakcji i fluorescencji rentgenowskiej (Chemistry & Mineralogy X-Ray Diffraction) jest dowodem na postęp techniczny w rozpoznawaniu minerałów na powierzchni Marsa. Po tym, jak łazik pobierze próbkę skały, urządzenie CheMin przepuści przez sproszkowany materiał wiązkę promieni rentgenowskich tak cienką, jak ludzki włos. Ponieważ wszystkie minerały uginają promienie rentgenowskie w charakterystyczny dla siebie sposób i wszystkie pierwiastki emitują promienie o wyjątkowej (niepowtarzalnej) energii naukowcy mogą wykorzystać informacje uzyskane podczas dyfrakcji, żeby zidentyfikować strukturę krystaliczną materiałów, które łazik odnajdzie na Marsie.

    Analizy struktur krystalicznych ułatwią badanie obiegu wody na powierzchni oraz pomogą w poszukiwaniach biosygnatur. Urządzenie może rozpoznać i określić ilościowo wszystkie materiały występujące w złożonych próbkach naturalnych (również w bazalcie) i glebach.

    Urządzenie do zdalnej detekcji składu chemicznego i mikrofotografii powierzchni próbek (ChemCam)

    Urządzenie do zdalnej detekcji składu chemicznego i mikrofotografii powierzchni próbek (Laser-Induced Remote Sensing for Chemistry and Micro-Imaging) będzie pierwszym przyrządem teledetekcyjnym wysłanym na Marsa. Kamera, w którą jest wyposażone, zarejestruje obrazy o wysokiej rozdzielczości – od pięciu do dziesięciu razy wyraźniejsze od obrazów uchwyconych przez kamery panoramiczne łazików Spirit i Opportunity.

    ChemCam zapewnia zdecydowanie szybszą analizę obiektów, co ułatwi planistom  podejmowanie decyzji odnośnie szczegółowych badań.

    Zestaw urządzeń do analizy próbek na Marsie (SAM)

    Zestaw do analizy próbek na Marsie (Sample Analysis at Mars Instrument Suite) składa się z trzech urządzeń: spektrometru mas, chromatografu gazowego i spektrometru z laserem przestrajalnym. Jego zadaniem będzie poszukiwanie związków chemicznych węgla (również metanu), które związane są z rozwojem życia oraz zbadanie, w jaki sposób związki te są wytwarzane i niszczone w ekosferze Marsa. Poza tym, sprzęt będzie również mierzył powszechność występowania takich pierwiastków lekkich, związanych z życiem, jak wodór, tlen czy azot.

    Detektor do szacowania promieniowania (RAD)

    Detektor (Radiation Assessment Detector) będzie jednym z pierwszych urządzeń wysłanych na Marsa specjalnie po to, aby zapewnić bezpieczeństwo przyszłym wyprawom załogowym. Posłuży on do analizy promieniowania w środowisku marsjańskim. Analiza ta obejmie:  promieniowanie kosmiczne, promieniowanie od wysokoenergetycznych cząstek pochodzenia słonecznego, od neutronów wtórnych oraz innych cząsteczek występującymi zarówno w atmosferze, jak i w glebie Marsa. Zanim człowiek postawi stopę na Czerwonej Planecie, musimy zbadać wpływ promieniowania powierzchniowego na jego zdrowie.

    Urządzenie do rejestrowania albedo dynamicznego neutronów

    To urządzenie będzie służyło do powierzchniowego wykrywania emisji neutronów, które uciekają, kiedy promieniowanie kosmiczne bombarduje powierzchnię planety. Jest to sposób na wykrywanie wodoru (a tym samym, potencjalnie, wody). Urządzenie znajduje się na wyposażeniu łazika i zapewni pomiary z poziomu gruntu, które zostaną porównane z pomiarami wykonanymi przez identyczne urządzenia używane kiedyś z pokładu sond na na orbicie Marsa.

    Stacja meteorologiczna (REMS)

    Stacja meteorologiczna (Rover Environmental Monitoring Station) będzie wysyłać codzienne raporty dotyczące warunków atmosferycznych: ciśnienia atmosferycznego, wilgotności, promieniowania ultrafioletowego od Słońca, prędkości i kierunku wiatru, temperatury podłoża i powietrza. Obserwacje pary wodnej pozwolą na pierwsze w historii pomiary wilgotności przypowierzchniowej, być może dając wgląd w wymianę wody pomiędzy powierzchnią i atmosferą oraz w procesy kondensacji w atmosferze. Poza tym, monitorowanie zmian w promieniowaniu ultrafioletowym (po raz pierwszy wykonywane na powierzchni planety), dostarczy ważnych informacji potrzebnych do ustalenia potencjału środowiska przypowierzchniowego do podtrzymywania życia.

    Spektrometr cząstek alfa i promieni rentgenowskich (APXS)

    Spektrometr (Alpha Particle X-Ray Spectrometer) dokona pomiarów występowania pierwiastków chemicznych w skałach i glebach. Urządzenie wystawi próbki skał i gleb na działanie cząsteczek alfa i promieni rentgenowskich (emitowanych podczas rozpadu kiuru). Pomiar ilości i energii promieniowania rentgenowskiego  umożliwi zidentyfikowanie wszystkich ważnych pierwiastków skałotwórczych od lekkiego sodu do pierwiastków cięższych. Spektrometr łazika Curiosity jest ulepszoną wersją tego, który znajdował się na wyposażeniu łazików Spirit i Opportunity – potrzebuje on mniej czasu na dokonanie pomiarów.


    Statek


    Na zdjęciu: stopień rejsowy (u samej góry), osłona górna z łazikiem wewnątrz i spód osłony aerodynamicznej (czarny).

    Statek zabezpiecza cenny ładunek, jakim jest łazik, podczas podróży pomiędzy Ziemią a Marsem. Jest on czymś innym niż rakieta nośna, która wynosi go wraz z łazikiem poza ziemską atmosferę i orbitę.

    Podobnie do łazików misji Mars Exploration Rovers, które wylądowały na Czerwonej Planecie na początku 2004 roku, łazik Curiosity będzie umieszczony w szczelnie zamkniętym stopniu rejsowym oraz w osłonach aerodynamicznej i termicznej. W odróżnieniu od wspomnianych bliźniaczych łazików, łazik Mars Science Laboratory wysunie koła przed samym lądowaniem tak, jak samolot wysuwa podwozie.

    Na wyposażeniu statku znajdują się urządzenia, które pomogą łazikowi bezpiecznie wejść w atmosferę Marsa i wylądować.

    Statek misji Mars Science Laboratory składa się z:

    • Stopnia rejsowego służącego do podróży pomiędzy Ziemią a Marsem,
    • Systemu odpowiedzialnego za wejście w atmosferę, opadanie i lądowanie: z osłoną aerodynamiczną i specjalnym lądownikiem,
    • Łazika.

    Projekt statku dla misji Mars Science Laboratory jest w dużej mierze oparty na budowie lądowników Viking wysłanych na Marsa w latach siedemdziesiątych. Natomiast łazik w znacznym stopniu przypomina pojazdy wykorzystane podczas misji Mars Exploration Rovers, które wylądowały na Marsie na początku 2004 roku. System odpowiedzialny za wejście w atmosferę, opadanie i lądowanie jest zupełnie nowy.

    Ile waży statek?

    Całkowita przewidywana masa misji Mars Science Laboratory wraz z rakietami, które wyniosą ją w przestrzeń kosmiczną, wyniesie około 3 400 kilogramów. Masy poszczególnych głównych elementów przedstawia poniższa tabela:

     Masa
    Masa łączna
    Łazik850 kg850 kg
    Lądownik (bez paliwa)
    829 kg1 679 kg
    Paliwo dla lądownika390 kg2 069 kg
    Osłona termiczna382 kg2 451 kg
    Stopień rejsowy (z paliwem)600 kg3 051 kg
    Osłona górna349 kg3 400 kg

     

     

     

     

     

    Konfiguracja stopnia rejsowego

    Stopień rejsowy służy wyprawie w czasie dryfu przez kosmos i wprowadza statek w atmosferę Marsa.

    Wykorzystany przez misję Mars Science Laboratory stopień rejsowy, o wadze około 400 kilogramów, będzie podobny do stopni użytych przez misje Pathfinder oraz Mars Exploration Rovers. Podczas wystrzelenia na orbitę stopień rejsowy będzie w stałym kontakcie z rakietą, która wyniesie statek w przestrzeń kosmiczną. Natomiast podczas zbliżania się do atmosfery Marsa, nawiaże stałą łączność z łądownikiem.

    W drodze na Marsa, stopień rejsowy wykona pięć lub sześć manewrów poprawiających trajektorię lotu, umożliwiając tym samym precyzyjne lądowanie na wcześniej wyznaczonym terenie. W tym czasie komputer nawigacyjny znajdujący się na pokładzie łazika będzie stale sprawdzał stan statku oraz, korzystając z dwóch anten wykorzystujących pasmo X, przekaże zebrane informacje stopniowi rejsowemu, który prześle je do kontrolerów misji, znajdujących się na Ziemi.

    Kluczowym zadaniem stopnia rejsowego będzie utrzymanie właściwej temperatury wszystkich podzespołów statku. W pompach i chłodnicach Systemu Odprowadzania Ciepła (Heat Rejection System) krążyć będą płyny, które odprowadzą do przestrzeni kosmicznej ciepło wytwarzane przez źródła zasilania (ogniwa słoneczne i silniki). Zaś gdy będzie trzeba, powłoki izolacyjne utrzymają wrażliwą aparaturę badawczą we właściwej temperaturze, pomimo że w otaczającej statek przestrzeni będzie ona bliska zera absolutnego. Do włączania lub wyłączania ogrzewania i chłodzenia, wedle potrzeb, posłużą termostaty.

    Do nawigowania Mars Science Laboratory wykorzysta gwiazdy. Pokładowy skaner gwiazd utrzyma stopień rejsowy na właściwym kursie kontrolując jego położenie względem gwiazd Drogi Mlecznej.

    Budowa stopnia rejsowego

    Stopień rejsowy będzie składał się z: aluminiowego szkieletu, żeber podpierających, paneli słonecznych, chłodnicy i modułu cumowniczego, łączącego statek z rakietą nośną. Konstrukcja ta zmieści się w okrągłej owiewce o średnicy około 4 metrów. Po dotarciu na Marsa moduł rozłączający w odpowiednim momencie odłączy stopień rejsowy od osłony aerodynamicznej, która osłoni łazika przed (spowodowanym przez tarcie) ciepłem, występującym podczas wchodzenia w atmosferę Marsa.

    Stopień rejsowy będzie miał osobny system napędowy składający się z ośmiu małych silników rakietowych, napędzanych hydrazyną, zmagazynowaną w dwóch tytanowych zbiornikach. Ponadto, będzie też korzystał z osobnego systemu zasilania – paneli i baterii słonecznych, nieprzerwanie dostarczających energii. Pojazd będzie utrzymywać prędkość dzięki obracaniu się wokół własnej osi z prędkością 2 obrotów na minutę.

    Konfiguracja do wejścia w atmosferę, zniżania i lądowania

    Mars Science Laboratory skorzysta z zupełnie nowego systemu lądowania. Podczas wchodzenia w atmosferę i opadania na powierzchnię Marsa, lądownik będzie utrzymywał kurs za pomocą małych rakiet.

    Tak, jak w przypadku lądownika Viking, sondy kosmicznej Pathfinder i misji Mars Exploration Rovers, podczas misji Mars Science Laboratory do zmniejszenia prędkości posłuży ogromny spadochron. W trakcie wytracania prędkości, w miarę potrzeb, uruchamiane będą rakiety korygujące trajektorię lądowania. Na odpowiedniej wysokości z lądownika wysuną się liny i kabel, za pomocą których łazik zostanie łagodnie opuszczony na powierzchnię planety. Będzie to przypominało pracę dźwigu opuszczającego ładunek, z tą różnicą, że „kosmiczny dźwig” przenoszący Curiosity będzie znajdował się w całości w powietrzu.


    Łazik

    W pewnym sensie, części łazika Mars Science Laboratory będą miały podobne funkcje co części ludzkiego ciała. Łazik składa się z:

    • korpusu, czyli struktury, która chroni jego “najważniejsze organy”;
    • mózgu, czyli komputerów, które przetwarzają informacje;
    • regulatorów temperatury: grzejników wewnętrznych, warstwy izolacyjnej itd.;
    • “szyi i głowy”, czyli masztu, na którym będą umieszczone kamery, dzięki czemu łazik będzie miał pole widzenia podobne do ludzkiego;
    • oczu i innych “zmysłów”, czyli kamer i urządzeń, które udzielą łazikowi informacji na temat otoczenia;
    • ramienia, zwiększy ono jego zasięg interakcji z otoczeniem i pozwoli pobrać próbki skał do analizy;
    • kół i „nóg”, czyli układu jezdnego;
    • źródeł zasilania, czyli baterii i generatora;
    • narządów komunikacyjnych - anten służących do “mówienia” i “słuchania.”

    Korpus

    Za korpus łazika można uznać WEB, czyli Warm Electronics Box. Można je porównać do karoserii samochodowej - jest to wytrzymałe poszycie, które chroni komputery i elektronikę (mózg i serce łazika) oraz utrzymuje je w odpowiedniej temperaturze.
    Ponad WEB znajduje się  pokład wyposażenia (Rover Equipment Deck). Dzięki takiemu rozwiązaniu łazik przypomina trochę kabriolet – pokład wyposażenia może zostać rozsunięty, aby z WEB mogły się wysunąć maszt oraz kamery łazika, dzięki którym będzie on robić zdjęcia powierzchni i obserwować otoczenie.

    Mózg

    W przeciwieństwie do mózgów ludzi i zwierząt, mózg łazika, czyli główny komputer, znajduje się wewnątrz „korpusu,” w module RCE (Rover Compute Element). Interfejsem telekomunikacyjnym umożliwiający wymianę danych pomiędzy komputerem głównym i przyrządami oraz czujnikami łazika jest standardowa magistrala przemysłowa.

    Pamięć lepsza niż kiedykolwiek

    Specjalne kości pamięci, odporne na promieniowanie kosmiczne, zabezpieczać będą programy i dane przed przypadkowym wykasowaniem w nocy, kiedy łazik jest wyłączony. Pamięć pokładowa łazika to 256 MB DRAM, 2 GB pamięci Flash z funkcją wykrywania i naprawy błędów oraz 256 kB  EEPROM. W porównaniu do pamięci pokładowej łazików Spirit i Opportunity to osiem razy więcej.

    Lepsze “nerwy” dla większej równowagi

    Łazik wyposażony jest w trójosiowy bezwładnościowy układ pomiarowy IMU (Inertial Measurement Unit), który pozwala mu wykonywać precyzyjne ruchy pionowe, poziome i boczne (odchylanie). Układ ten ułatwia bezpieczne przemieszczanie się i pozwala ocenić stopień nachylenia łazika podczas jego wędrówek po powierzchni Marsa.

    Monitorowanie „zdrowia”

    Tak jak ludzkie mózgi, komputery łazika rejestrują jego stan zdrowia, temperaturę i inne parametry niezbędne do „życia”. W tym wypadku „życie” oznacza, że łazik może on porozumiewać się z Ziemią przez cały czas trwania misji na powierzchni że jest stabilny termicznie (nie za ciepły i nie za chłodny). Komputer pokładowy będzie okresowo sprawdzał temperaturę, zwłaszcza w „korpusie” łazika, reagował jeśli stwierdzi że możliwe jest przegrzanie, rejestrował dane o wytwarzaniu i magazynowaniu energii podczas danego dnia marsjańskiego, a także planował i przeprowadzał kolejne sesje łączności z Ziemią.

    Używanie “mózgu” do komunikacji

    Czynności takie jak robienie zdjęć, jazda i obsługiwanie przyrządów będą przeprowadzane według poleceń przesłanych do łazika przez zespół na Ziemi. Przez cały czas łazik będzie sporządzał raporty dotyczące stanu technicznego, operacji porządkowych, telemetrii i zdarzeń okresowych, które będą przechowywane w jego pamięci do momentu, gdy zespół będzie ich potrzebował.

    Łazik ma dwa “komputerowe mózgi,” z których jeden jest uśpiony. W przypadku jakichkolwiek problemów można go obudzić, żeby przejął kontrolę nad łazikiem i kontynuował misję.

    “Oczy” i inne “zmysły”

    Łazik ma pięć par “oczu”: sześć kamer inżynieryjnych ułatwiających nawigację i cztery kamery naukowe. Każda z kamer przystosowana jest do wykonywania konkretnego zadania:

    Cztery kamery służące do unikania niebezpieczeństw (Hazard Avoidance Cameras – Hazcams):

    Czarno-białe kamery umieszczone są nisko na przedzie i z tyłu łazika. Będą one wykorzystywać zwykłe spektrum światła widzialnego dla ludzkiego oka i rejestrować trójwymiarowe obrazy, dzięki którym łazik nie zgubi się i  nie wjedzie na niespodziewanie przeszkody. Kamery współpracują z oprogramowanie umożliwiającym łazikowi podejmowanie decyzji i „samodzielne myślenie” w zakresie bezpiecznej nawigacji.

    Każda z kamer ma szerokie pole widzenia, wynoszące 120 stopni. Dzięki powstałym obrazom łazik może określić kształt terenu na odległość 3 metrów i szerokość 4 metrów. Kamery potrzebują tak szerokiego kąta widzenia, ponieważ w przeciwieństwie do ludzkich oczu nie mogą poruszać się niezależnie - umieszczone są bezpośrednio na „korpusie” łazika.

    Dwie kamery nawigacyjne (Navigation Cameras – Navcams):

    Czarno-białe kamery umieszczone na maszcie również wykorzystają promieniowanie optyczne do robienia panoramicznych zdjęć trójwymiarowych. Zespół kamer nawigacyjnych składa się z dwóch kamer stereofonicznych, każda z 45-stopniowym polem widzenia, które pomogą naukowcom i inżynierom  zaplanowanie nawigacji powierzchniowej. Będą one współpracować z kamerami Hazcams dostarczając pełnego obrazu terenu.

    Dwie kamery naukowe (MastCam, ChemCam):

    Kamera masztowa (Mast Camera) wyposażona w obiektyw zmiennoogniskowy będzie robić zdjęcia kolorowe, trójwymiarowe zdjęcia stereoskopowe i kręcić kolorowe filmy przedstawiające powierzchnię Marsa.

    Podobnie do kamer umieszczonych na łazikach misji Mars Exploration Rovers, które wylądowały na Czerwonej Planecie w 2004 roku, konstrukcja kamery MastCam składa się z dwóch identycznych systemów kamer umieszczonych na maszcie wysuwającym się z pokładu łazika Mars Science Laboratory. Kamery działają jak ludzkie oczy – każda z nich odbiera minimalnie różne obrazy, co umożliwia widzenie stereoskopowe.

    Urządzenie do zdalnej detekcji składu chemicznego i mikrofotografii powierzchni próbek (Laser-Induced Remote Sensing for Chemistry and Micro-Imaging) przy użyciu wiązki laserowej zbada skład chemicznym odparowanego materiału pochodzącego z powierzchni skał i gleb marsjańskich mniejszych niż 1 milimetr. Pokładowy spektrometr dostarczy szczegółów o minerałach i makrobudowie w skałach przez zmierzenie składu chemicznego powstałej w ten sposób plazmy – niezwykle gorącego gazu złożonego z jonów swobodnych i elektronów.

    Kamera do wykonywania zdjęć i filmowania podczas fazy zniżania (Mars Descent Imager - MARDI):

    Inżynierowie, którzy pracowali nad misją Mars Exploration Rover mogli dowiedzieć się, jak łaziki Spirit i Opportunity „widzą” powierzchnię Marsa podczas zbliżania się do niego dzięki kamerze DIMES (Descent Image Motion Estimation System), która w razie potrzeby korygowała lot statku kosmicznego za pomocą rakiet hamujących. Mars Science Laboratory będzie wyróżniać się jeszcze bardziej zaawansowanym systemem wizualnym. Kamera MARDI zarejestruje film o wysokiej rozdzielczości z szybkością pięciu klatek na sekundę w trybie „true color” – tak, jakby widziały ludzkie oczy.

    Kamera zarejestruje nie tylko niesamowity film, ale zbierze także dane, które pozwolą naukowcom i inżynierom na obserwację procesów geologicznych, zbadanie profilu wiatru poziomego, stworzenie szczegółowych planów geomorfologicznych, ciągów poligonowych oraz map plastycznych rejonu lądowania.

    Kamera mikroskopowa (Mars Hand Lens Imager – MAHLI):

    Kamera mikroskopowa MAHLI jest nowym urządzeniem, które umożliwi geologom na Ziemi przyjrzenie się elementom marsjańskiej rzeźby terenu mniejszym niż średnica ludzkiego włosa, rejestrując szczegółowe zdjęcia minerałów, tekstur i struktur tamtejszych skał oraz powierzchniowej warstwy gruzu skalnego i pyłu.

    Ramię

    Zrobotyzowane ramię trzyma i porusza przyrządami, które pomogą naukowcom przyjrzeć się bliżej marsjańskim skałom i glebie. Dzięki trzem stawom – ramieniowym, łokciowym i nadgarstkowym – ramię ma ruchomość ludzkiego ramienia, co umożliwi rozstawianie aparatury naukowej, przechylanie jej i ustawianie pod dokładnym kątem przy skałę.

    Zrobotyzowane ramię będzie wykonywać czynności, które normalnie wykonują geologowie: rozkruszanie warstw skalnych, obrazy mikroskopowe, analizowanie składu pierwiastkowego skał i gleby.

    Ramię zakończone jest obrotową wieżyczką w kształcie krzyża podobną do ręki. Wyposażona jest ona w pięć przyrządów obracających się o 350 stopni: spektrometr cząstek alfa i promieni rentgenowskich (Alpha Particle X-ray Spectrometer), kamerę mikroskopową (Mars Hand Lens Imager) oraz w przyrządy związane z pobieraniem i przygotowaniem próbek geologicznych.


    Zbliżanie się do Marsa

    Aby faza wejścia w atmosferę, opadania i lądowania zakończyła się powodzeniem, inżynierowie rozpoczną intensywne przygotowania już podczas fazy zbliżania, na 45 dni przed wejściem statku w atmosferę Marsa – potrwają one do momentu, kiedy statek się w niej znajdzie (atmosfera znajduję się na wysokości 3544,2 kilometrów od środka Marsa).

    Inżynierowie podczas tej fazy skupią się na:

    • manewrach poprawiających końcową trajektorię – skorygują one tor lotu na Marsa
    • niezbędnych uaktualnieniach położenia statku kosmicznego potrzebnych do utrzymywania łączności i produkcji energii
    • częstych pomiarach Delta DOR (delta - Differential One-way Range), które będą monitorowały pozycję statku i zapewnią precyzyjne lądowanie
    • uruchomieniu oprogramowania odpowiedzialnego za fazę wejścia w atmosferę, opadania i lądowania, które będzie odpowiedzialne za wykonywanie poleceń podczas tej fazy;
    • aktualizowaniu parametrów fazy wejścia w atmosferę, opadania i lądowania;
    • czynnościach związanych z końcowym położeniem do wejścia w atmosferę i z odłączeniem się od stopnia rejsowego;
    • wprowadzeniu sekwencji poleceń powierzchniowych i nawiązaniu łączności niezbędnej przez kilka pierwszych dni na powierzchni.

    Podczas fazy zbliżania statek będzie znacznie częściej komunikował się z antenami Sieci Dalekiej Łączności Kosmicznej DSN, co pozwoli inżynierom ustalić dokładniejszą trajektorię lotu w końcowych tygodniach przed lądowaniem na Marsie – zapewni to misji Mars Science Laboratory bezpieczne lądowanie na powierzchni planety. Anteny o średnicy 34 i 70 metrów umożliwią w tej fazie nawiązanie łączności ze statkiem.

    Miejsce lądowania: krater Gale

    Krater Gale jest fascynującym miejscem badań z powodu góry materiałów ułożonych warstwami w jego środku – na Ziemi miałaby ona 5 kilometrów wysokości. W tych warstwach zapisana jest prawdopodobnie historia Czerwonej Planety. Badania z orbity ujawniły, że warstwy zawierają różne minerały w zależności od wysokości. U podnóży tej góry występują minerały ilaste. Nad nimi znajdują się warstwy siarki, a powyżej warstwy z minerałami tlenkowymi. W górze jak i w ścianie krateru znaleźć można rowki, które wyżłobiła płynąca woda. Aby dostać się do tej góry, Mars Science Laboratory wyląduje na płaskiej części krateru i warstwa po warstwie dotrze na sam szczyt. Po drodze łazik zbada w jaki sposób i w jakim środowisku uformowały się te warstwy.

    Pierwsza jazda

    Podczas fazy pierwszej jazdy inżynierowie najpierw przeprowadzą testy, żeby upewnić się, że łazik jest sprawny, po czym po raz pierwszy pokierują nim poza strefę lądowania.

    Przez około pięć dni po wylądowaniu na powierzchni Marsa łazik Mars Science Laboratory nie wyruszy na swoją pierwszą wędrówkę. Jest to czas, którego potrzebują kontrolerzy misji na Ziemi, żeby upewnić się, że podłoże pod łazikiem nie stanowi dla niego zagrożenia. Poza tym, muszą oni uruchomić maszt, antenę wysokiego zysku (High Gain Antenna), system pobierania próbek, przeprowadzić testy łączności oraz sprawdzić inne urządzenia zanim „dadzą gaz do dechy” (w przeciwieństwie do wcześniejszych misji, łazik Mars Science Laboratory nie będzie miał lądownika, z którego musiałby się wydostać. Dlatego też jego układ jezdny – to jest koła i powiązane elementy – będzie uruchomiony przed wylądowaniem).

    Jedną z najważniejszych kwestii będzie stabilność łazika. Mimo tego, że może on wytrzymać nachylenie do 50 stopni, a jego prześwit wynosi 60 centymetrów, rzeczą niemożliwą jest przewidzenie miejsca lądowania statku kosmicznego co do centymetra. Jeśli po wylądowaniu łazik znajdzie się jednym kołem na czubku skały a pozostałymi kołami na jej zboczu, inżynierowie chcieliby o tym wiedzieć, żeby upewnić się, że łazik zmieni swoje położenie na bardziej bezpieczne.

    Po wylądowaniu łazik wykona serię poleceń komputerowych, aby sprawdzić, czy wszystkie systemy pracują prawidłowo i obejrzy najbliższe otoczenie. W tym celu łazik:

    • dokona pomiaru temperatur, żeby upewnić się, że nie wpłyną one na operacje powierzchniowe;
    • wykona testy łączności z Ziemią korzystając z anteny wysokiego zysku;
    • wykona testy łączności z Ziemią i statkiem kosmicznym znajdującym się na orbicie korzystając z anten częstotliwości UHF;
    • rozłoży maszt, na którym znajdują sie kamery panoramiczne, nawigacyjne i niektóre przyrządy badawcze;
    • zrobi zdjęcia otoczenia;
    • pomoże kontrolerom misji określić swoje położenie na podstawie zdjęć terenu, zdjęć z orbity i czasu, który potrzebują sygnały na dotarcie do statku kosmicznego znajdującego się na orbicie i z powrotem.

    Gdy wszystkie zadania zostaną wykonane, łazik przystąpi do swojej pierwszej podróży poza strefę lądowania w nieznane marsjańskie rejony, podczas której przetestuje pokładową aparaturę naukową.