«Спі́ріт» ( — дух), також відомий як MER-A (Mars Exploration Rover — A) або MER-2 — марсохід американського космічного агентства НАСА. Марсоходи-близнюки «Оппортьюніті» і «Спіріт» були запущені до Марса в 2003 році в рамках місії Mars Exploration Rover. Планувалося, що апарати пропрацюють на Червоній планеті 90 днів, однак вони протрималися більше п'яти років.
У квітні 2009 року «Спіріт» застряг у піску, втративши друге з шести коліс. Протягом декількох місяців учені намагалися врятувати апарат, для чого вони, зокрема, моделювали ситуацію на точній його копії на Землі. Нічого зробити не вдалося і на початку 2010 року НАСА офіційно оголосило про припинення спроб врятувати марсохід.
Цілі місії
Основним завданням місії було вивчення осадових порід, які, як передбачалося, мали утворитися в кратері Гусєва, де колись могло бути озеро або море. Однак класичні осадові породи знайдені не були, в кратері в основному зустрічалися породи вулканічного походження.
Перед місією марсоходу були поставлені наступні наукові цілі : Пошук та опис розмаїття гірських порід і ґрунтів, які свідчать про минулу водну активність планети. Зокрема, пошук зразків з вмістом мінералів, які відкладалися за участю води. Визначення поширення і складу мінералів, гірських порід і ґрунтів, що оточують місце посадки. Визначення того, які геологічні процеси сформували рельєф місцевості і хімічний склад. До цих процесів можуть належати водна ерозія або вітрова ерозія, відкладення опадів, гідротермальні механізми, вулканізм та утворення кратерів. Проведення калібрування та перевірки спостережень поверхні, зроблених інструментами Марсіанського розвідувального супутника. Це допоможе визначити точність і ефективність різних інструментів, які використовуються для вивчення марсіанської геології з орбіти. Пошук залізовмісних мінералів, виявлення і визначення вмісту певних типів мінералів, що містять воду або були сформовані у воді, таких як залізовмісні карбонати. Дослідження мінерального складу і текстури порід і встановлення процесів, які їх утворили. Пошук геологічних причин, що сформували ті умови довкілля, які існували, коли на планеті була присутня рідка вода. Оцінка того, наскільки ті умови були сприятливі для життя.
Ракета-носій
«Спіріт» був запущений ракетою-носієм «Дельта II 7925». Це більш потужна ракета-носій, ніж «Дельта-2 7925-H», за допомогою якої був запущений його близнюк — марсохід «Оппортьюніті».
Сімейство ракет-носіїв «Дельта-2» знаходиться в експлуатації вже понад 10 років. З їх допомогою успішно запущені 90 проєктів, в тому числі і останні шість місій НАСА на Марс: Mars Global Surveyor і Mars Pathfinder у 1996 році, Mars Climate Orbiter в 1998 році, Mars Polar Lander у 1999 році, «Марс Одіссей» в 2001 році і «Фенікс» в 2007 році.
Вироблення енергії
Як і в місії «Mars Pathfinder», електроенергію, необхідну для живлення систем марсоходів, виробляють панелі сонячних батарей. Вони розташовані на «крилах» марсохідів і складаються з окремих осередків, що значно підвищує надійність місії. Вони розроблялися спеціально для «Спіріта» і «Оппортьюніті», для досягнення максимальної площі збирання світла, наскільки це було можливим.
Ще одним нововведенням для марсоходів є додавання потрійного шару з арсеніду галію. Це перше в історії дослідження Марса з використанням тришарових сонячних батарей. Осередки батарей здатні поглинути більше сонячного світла, ніж їх застаріла версія, встановлена на марсоході «Соджорнер», який працював у 1997 році. Сонячні елементи знаходяться в трьох шарах сонячних батарей марсохода і тому здатні поглинути більше сонячного світла, а внаслідок цього можуть виробляти більше електроенергії для підзарядки літій-іонних акумуляторів роверів.
У місії «Mars Pathfinder» марсохід «Соджорнер» використав один літієвий акумулятор ємністю 40 А·год. У місії Mars Exploration Rovers марсоходи використовують два літій-іонних акумулятора, ємністю 8 А·год кожен. Під час роботи «Оппортьюніті» на Марсі максимальний показник виробітку енергії сонячними панелями був близький до 900 Вт·год за 1 марсіанський день, або сол. У середньому сонячні батареї «Спіріта» і «Оппортьюніті» виробляли 410 Вт·год/сол.
Здійснення зв'язку
Зв'язок з орбітальними апаратами
Марсоходи місії «Mars Exploration Rovers» як ретранслятор використовують орбітальний апарат «Марс Одіссей», який постійно обертається навколо червоної планети.
Протягом 16 хвилин він знаходиться в зоні «спілкування» з роверами, після чого ховається за горизонтом. «Спіріт» і «Оппортьюніті» можуть «спілкуватися» з орбітальним апаратом протягом 10 хвилин, в цей період він приймає дані від марсоходів.
Переважна більшість наукових даних передаються на Землю через антену ровера, яка використовується для спілкування з орбітальним апаратом «Марс Одіссей» в дециметровому діапазоні (UHF). «Марс Одіссей» ретранслював на землю основний обсяг наукових даних, отриманих з обох марсоходів. Інший орбітальний апарат, Mars Global Surveyor, також використовувався як ретранслятор; він передав близько 8 % всіх даних, перш ніж вийшов з ладу в листопаді 2006 року, після 10 років роботи. Невеликий обсяг даних був переданий безпосередньо з роверів на Землю через антену X-діапазонуTechnologies of Broad Benefit: Telecommunications ..
Орбітальні апарати з потужними антенами X-діапазону здатні передавати на Землю дані з більш високою швидкістю. Потужність передавача дуже важлива, бо достатньо чутливих антен на Землі небагато, а їх час обмежений.
Зв'язок з перелітним модулем На перелітному модулі було встановлено дві антени, необхідні для підтримки зв'язку із Землею. Всеспрямована антена з низьким коефіцієнтом посилення використовувалася, коли корабель перебував поруч із Землею. Оскільки вона посилає сигнал у всіх напрямках, їй не потрібно наводитися на Землю. На великих відстанях для зв'язку потрібна гостронаправлена антена з середнім коефіцієнтом посилення. Для успішної роботи вона має бути спрямована у бік Землі.
Конструкція марсохода
Марсохід має 6 коліс. Джерелом електроенергії слугують сонячні батареї. При масі в 185 кг апарат оснащено буром, декількома камерами, мікроскопом і двома спектрометрами, змонтованими на маніпуляторі.
Поворотний механізм виконано на основі сервоприводів. Такі приводи розташовані на кожному з передніх і задніх коліс, середня пара таких деталей не має. Поворот передніх і задніх коліс марсохода здійснюється за допомогою електромоторів, що діють незалежно від моторів, що забезпечують переміщення апарата.
Коли марсоходу необхідно повернути, сервоприводи вмикаються і повертають колеса на потрібний кут. Решту часу вони, навпаки, блокують поворот, щоб апарат не збивався з курсу з причини випадкового руху коліс. Перемикання режимів поворот-гальмо проводиться за допомогою реле.
Усі системи марсохода залежать від потужного блоку під назвою «Мозковий центр», який добре захищений від низьких температур. У центрі ровера знаходиться важливий «Тепловий блок електроніки», який відповідає за пересування ровера, а також за розгортання маніпулятора. Бортовий комп'ютер приблизно такої ж потужності, як і тогочасний портативний комп'ютер. Пам'яті приблизно в 1000 разів більше, ніж у його попередника — марсохода «Соджорнер» .
Бортовий комп'ютер «Спіріта» і «Оппортьюніті» побудований на 32-бітному радіаційно-стійкому процесорі RAD6000, працюючому на частоті . Він містить оперативної пам'яті, а також флеш-пам'яті.
Подібно до нашого мозку, який знаходиться під захистом черепа, системи марсохода захищені тим, що встановлені в «Тепловому блоці електроніки», який закріплений у модулі під назвою «Електроніка марсохода». Цей модуль розташований точно в центрі ровера. Золота плівка на стінках блоків допомагає затримувати виділене тепло від обігрівачів, це важливо, оскільки нічні температури на Марсі можуть впасти до і навіть нижче. Термоізоляцією служить шар з аерогеля. Це унікальний матеріал, що має рекордно низьку густину і проявляє високу твердість, прозорість, жароміцність та надзвичайно низьку теплопровідність. У повітряному середовищі при нормальних умовах його густина за рахунок надзвичайної пористості складає лише 1,9 кг/м³ — всього в 1,5 рази більше густини повітря, через що аерогель отримав назву «твердий дим».
Весь комплекс, що контролює балансування ровера, можна порівняти з людським вестибулярним апаратом. Інерціальний вимірювальний пристрій оцінює кут нахилу марсохода, і ці дані допомагають роверу робити точніші і плавніші рухи.
Головний комп'ютер стежить за станом марсохода. Його програмне забезпечення перевіряє працездатність усіх систем ровера.
Інновації в місії «Mars Exploration Rovers»
Осторонь від небезпек
У марсохідів місії Mars Exploration Rovers є система контролю за небезпечними зонами, у зв'язку з чим під час пересування ровери можуть їх уникати. Реалізація даної системи є першою в історії вивчення Марса; вона розроблена в Університеті Карнегі-Меллона.
Дві інші подібні програми працюють разом для підвищення загальної продуктивності. Перша слідкує за контролем роботи двигуна, управляє колесами марсоходу, щіткою, а також інструментом вишкрібання породи (RAT). Друга (працююча постійно, як вдень, так і вночі) стежить за роботою сонячних батарей ровера, перенаправляє енергію до двох акумуляторів, а також управляє годинником марсохіда .
Поліпшений зір «Спіріт», як і «Опортюніті», має 10 камер. Камери місії Mars Exploration Rovers роблять знімки в найбільшій роздільній здатності за всю історію досліджень Марса.
Досягнення в галузі технологій допомогло зробити камери більш легкими і компактними, що дозволило встановити по дев'ять камер на кожному ровері, а також по одній камері на спускають платформу (DIMES). Камери роверів розроблені в Лабораторії реактивного руху. Вони є найдосконалішими камерами, які коли-небудь опускалися на іншу планету.
Поліпшене стиснення даних Система стиснення даних, також розроблена в Лабораторії реактивного руху, дозволяє зменшувати обсяг даних для подальшої передачі їх на Землю. ICER створений на основі вейвлет-перетворень, зі здатністю обробляти зображення. Наприклад, зображення розміром 12 МБ в кінцевому підсумку буде стиснуто до 1 МБ і, таким чином, займе набагато менше місця на карті пам'яті. Програма ділить всі зображення в групи, по 30 зображень кожна. Ця процедура істотно знижує ризик втрати знімків при їх відправці на Землю, до Комплексу далекого космічного зв'язку в Австралії.
Створення карт місцевості при пересуванні Також інновацією для цієї місії є можливість створювати карти прилеглої місцевості. Для наукової групи це дуже цінно, адже карти дозволяють визначити прохідність, кут нахилу та освітленість місцевості. Стереознімки дозволяють команді створювати 3D-зображення, що дає можливість точно визначати місце розташування спостережуваного об'єкта. Карти, розроблені на основі цих даних, дозволяють команді знати, як далеко роверу потрібно проїхати до необхідного об'єкта, вони також допомагають у наведенні маніпулятора.
Технологія м'якої посадки Інженери зіткнулися з непростим завданням по зниженню швидкості космічного апарата з при вході в атмосферу до при ударі об поверхню МарсаIn-situ Exploration and Sample Return: Entry, Descent, and Landing ..
Покращений парашут і подушки безпеки Для входу в атмосферу, спуску і посадки в місії Mars Exploration Rovers було використано багато чого з напрацювань її попередників: місій «Вікінг» і Mars Pathfinder. Для того, щоб зменшити швидкість зниження, місія використовує успадковану технологію парашута апаратів «Вікінг», запущених 1975 року, а також місії Mars Pathfinder (1997). Космічні апарати місії «Mars Exploration Rovers» набагато важчі попередніх, базова конструкція парашута залишилася тією ж, але площа у нього на 40 % більша, ніж у попередників.