Mars Odyssey 2001 Orbiter
Mars Odyssey 2001 to sonda kosmiczna, która została wysłana 7 kwietnia 2001 roku w kierunku Marsa przez NASA w ramach programu Mars Exploration Program. Pojazd wszedł na orbitę wokół planety 24 października 2001 roku. Głównym celem misji Odyssey jest poszukiwanie śladów wody oraz lodu pod powierzchnią Marsa, a także badanie aktywności wulkanicznej. Po zrealizowaniu kluczowych celów, NASA zdecydowała o przedłużeniu misji do sierpnia 2006 roku. Obecnie sonda kontynuuje badania naukowe oraz utrzymuje łączność między Ziemią a łazikiem Curiosity.
Cele misji
- mapowanie ilości i rozmieszczenia pierwiastków chemicznych oraz minerałów na powierzchni Marsa, a także morfologii tej powierzchni
- poszukiwanie skupisk wodoru, który może być składnikiem zamarzniętej wody w podpowierzchniowych warstwach marsjańskiego gruntu
- rejestrowanie promieniowania na niskiej orbicie marsjańskiej, aby ocenić ryzyko ewentualnych misji załogowych
Opis misji
2001 Mars Odyssey jest rezultatem programu Mars Surveyor 2001, w ramach którego pierwotnie planowano wysłanie dwóch oddzielnych statków: orbitera oraz lądownika. Misja lądownika została anulowana w związku z reorganizacją programu Mars Exploration Program. Orbitera przemianowano na 2001 Mars Odyssey na cześć Arthura C. Clarke’a oraz jego dzieła „2001: Odyseja kosmiczna”. Statek został zbudowany przez Lockheed Martin Space Systems oraz Jet Propulsion Laboratory. Jego konstrukcja oparta jest na planach sondy Mars Climate Orbiter.
Sonda wykonała szereg manewrów przed osiągnięciem docelowej orbity marsjańskiej:
- okołoziemska orbita parkingowa, od 7 kwietnia 2001 (15:12 UTC): 195 × 215 km; 52°
- okołosłoneczna orbita transferowa, od 7 kwietnia 2001 (15:24 UTC): 10,982 × 1,384 au; 3,05°
- ucieczka z ziemskiego pola grawitacyjnego, 10 kwietnia 2001 (około 19:00 UTC)
- zbliżenie do Marsa: 24 października 2001 (02:26 UTC)
- eliptyczna orbita przechwytująca oraz hamowanie atmosferyczne, od 24 października 2001 do 11 stycznia 2002: 272 × 26 818 km; 93,42° (peryareum nad północnym biegunem Marsa)
- korygowanie orbity, od 11 do 30 stycznia 2002: 201 × 500 km (w styczniu 2002)
- polarna orbita docelowa, 30 stycznia 2002: 400 × 400 km, 2 h; 90°
Statek dotarł do Marsa 24 października 2001. Orbitę przechwytującą osiągnięto po uruchomieniu głównego silnika na 19,7 min. Następnie, poprzez regularne manewry w wyższych warstwach atmosfery Marsa, sonda wyhamowywała i zacieśniała orbitę, dążąc do formy kołowej. Manewr hamowania atmosferycznego pozwolił na zaoszczędzenie około 200 kg paliwa. Główna misja sondy trwała 917 dni (do lipca 2004). Aktualnie 2001 Mars Odyssey realizuje misję rozszerzoną, w tym pełni rolę istotnego elementu komunikacyjnego między Ziemią a łazikami na powierzchni Marsa. Sonda transmitowała około 85% wszystkich danych przesyłanych przez łaziki MER.
Misja 2001 Mars Odyssey jako jedyna w historii otrzymała własną oficjalną muzykę towarzyszącą, którą jest symfonia chóralna „Mythodea” autorstwa Vangelisa.
Całkowity koszt misji wyniósł 297 milionów USD, w tym: opracowanie i budowa statku oraz instrumentów naukowych – 165 mln USD, wystrzelenie – 53 mln USD, kontrola misji oraz przetwarzanie danych naukowych – 79 mln USD.
Budowa sondy
Konstrukcja
Korpus statku wykonano głównie z aluminium i tytanu. Wykorzystanie tytanu, który jest lekkim, ale kosztownym metalem, miało na celu zmniejszenie masy ogólnej bez uszczerbku dla wytrzymałości statku. Większość systemów statku jest zdublowana (z wyjątkiem karty pamięci przyrządu THEMIS). Korpus dzieli się na dwie główne części: moduł napędowy, zawierający zbiorniki paliwa i silniki, oraz moduł wyposażeniowy z pokładem przyrządów i naukowym. Korpus waży 81,7 kg.
Właściwa kontrola temperatury wewnątrz statku (zróżnicowanej dla różnych urządzeń) jest utrzymywana dzięki zestawom grzejników, chłodnic, farb termicznych, żaluzji i materiałów izolacyjnych. Podsystem kontroli termicznej waży 20,3 kg.
Sonda ma także pewną liczbę układów ruchomych. Część z nich dotyczy anteny dużego zysku. Trzy urządzenia chwytno-zwalniające utrzymywały antenę w pozycji złożonej podczas startu, podróży do Marsa i hamowania atmosferycznego. Po osiągnięciu orbity umożliwiającej zbieranie danych naukowych, antena została zwolniona i rozłożona dzięki elektrozawiasom. Pozycja anteny może być zmieniana w dwóch płaszczyznach, co pozwala na jednoczesne odbieranie danych z Marsa i wysyłanie ich do Ziemi bez zmiany pozycji całego statku. Cztery kolejne urządzenia chwytno-zwalniające obsługiwały panele ogniw słonecznych, które również posiadają układ kierowania o dwóch stopniach swobody. Jedno urządzenie chwytno-zwalniające sterowało sześciometrowym wysięgnikiem przyrządu GRS. Wszystkie układy mechaniczne Odyssey ważą 24,2 kg.
Obsługa komend i danych
Wszystkie operacje informatyczne realizuje komputer RAD6000 – odporną na promieniowanie wersję procesora PowerPC. Posiada on 128 MB pamięci RAM oraz 3 MB pamięci nieulotnej, która może przechowywać dane nawet w przypadku braku zasilania. Układ obsługi komend i danych waży 11,1 kg.
Sonda komunikuje się z Ziemią za pomocą układu łączności mikrofalowej (pasmo X). Wykorzystuje ruchomą antenę dużego zysku (średnica 1,1 m; układ Cassegraina, moc 15 W). Po stronie Ziemi łączność obsługiwana jest przez Deep Space Network. System łączności UHF (fale ultrakrótkie) służy do komunikacji z łazikami Opportunity i Curiosity znajdującymi się na powierzchni Marsa. Podsystem telekomunikacji waży 23,9 kg.
Zasilanie
Statkowi dostarcza energii akumulator niklowo-wodorkowy o pojemności 16 Ah, ładowany przez zestawy ogniw słonecznych, opartych na arsenku galu (GaAs). Maksymalna moc ogniw wynosi 1500 W, a na orbicie okołomarsjańskiej – 750 W. Powierzchnia ogniw wynosi 7 m². Oprócz zasilania przyrządów sondy, prąd pobierają także silniki wychyleniowe anteny dużego zysku oraz paneli słonecznych, a także elektrozawory systemu napędowego. Układ zasilania elektrycznego waży 86 kg.
Napęd
Układ napędowy statku składa się z zestawu małych silniczków – przyspieszaczy oraz silnika głównego. Przyspieszacze są używane do utrzymywania pozycji sondy oraz do manewrów korygujących orbitę. Silnik główny był użyty do umieszczenia sondy na orbicie Marsa i działa na paliwo dwuskładnikowe: naftę (hydrazynę) i czterotlenek azotu (utleniacz), co daje ciąg 65,3 kg. Cztery przyspieszacze generują ciąg 100 gramów każdy, a kolejne cztery, używane do obrotu statku, mają ciąg 2,3 kg każdy. Układ napędowy waży 49,7 kg.
Napędem kieruje układ kierowania, nawigacji i kontroli, który określa i utrzymuje pozycję sondy. Składa się on z trzech par czujników (dwie zapasowe). Czujnik Słońca określa położenie Słońca i jest czujnikiem zapasowym względem kamery gwiazdowej. Dane o położeniu są wyliczane na podstawie obserwacji kamery gwiazdowej, a także uzupełniane przez inercyjny system kontroli położenia – cztery stabilizatory żyroskopowe (trzy główne, jeden zapasowy). Sonda Odyssey jest stabilizowana w trzech osiach. Podsystem kierowania, nawigacji i kontroli waży 23,4 kg.
Instrumenty
THEMIS
Thermal Emission Imaging System (THEMIS – System Obrazujący na podstawie Emisji Termicznej) składa się ze spektrometru obrazującego w podczerwieni oraz kamery o wysokiej rozdzielczości. Jego zadaniem jest mapowanie mineralogii i morfologii powierzchni Marsa. THEMIS ma wymiary 54,5 × 37 × 28,6 cm. Układ optyczny stanowi teleskop trójlustrzany (f/1,7; apertura efektywna 12 cm; ogniskowa 20 cm). Światło jest skupiane na czujniku zakresu widzialnego i podczerwieni (poprzez podzielnik wiązki). Detektor podczerwieni to matryca mikrobolometrów (320 × 240) o polu widzenia 4,6 × 3,5 stopnia. Pasmo pracy wynosi 6,6–15 μm, podzielone na 9 zakresów. THEMIS ma rozdzielczość około 100 m/piksel, a czujnik światła widzialnego to matryca krzemowa 1024 × 1024, o polu widzenia 2,9 stopnia i rozdzielczości 18 m/piksel. Pełen odczyt matrycy trwa około 1,3 s. THEMIS waży 11,2 kg i zużywa 14 W energii.
GRS
Gamma Ray Spectrometer (GRS – Spektrometr Promieniowania Gamma) przeprowadza obserwacje powierzchni Marsa w promieniach gamma. Na podstawie tych obserwacji określany jest skład marsjańskiego gruntu, struktura lodowych czap polarnych oraz budowa warstw przypowierzchniowych. GRS wykonuje także obserwacje błysków gamma. Spektrometr składa się z diody germanowej o wysokiej czystości oraz detektora z ciałem stałym. Dioda jest spolaryzowana wstecznie (3000 V), a prąd upływu jest mniejszy niż 1 nA. Prąd generowany przez błyski gamma jest wzmacniany przez przedwzmacniacz. Urządzenia chłodzące utrzymują temperaturę czujnika na poziomie 90 K. GRS zamontowany jest na końcu 6,2-metrowego wysięgnika i ma kształt miskowaty (46 cm średnicy w najszerszym miejscu). Jego pole widzenia wynosi 144 stopnie, a rozdzielczość przestrzenna to około 300 km. Dodatkowymi czujnikami są dwa detektory neutronów, które mają na celu wykrywanie skupisk wodoru. GRS waży 30,5 kg i zużywa 32 W energii.
MARIE
Martian Radiation Environment Experiment (MARIE – Eksperyment Promieniowania Środowiska Marsjańskiego) jest spektrometrem cząstek energetycznych, przeznaczonym do badania promieniowania jonizującego w kosmicznym sąsiedztwie Marsa. MARIE analizuje promieniowanie o energiach w zakresie 0,1 keV/nukleon – 1500 keV/nukleon, uwzględniając poszczególne wkłady protonów, neutronów oraz cząstek HZE. Składa się z dwóch zestawów pozycjoczułych detektorów (24 × 24, każdy o wymiarach 2,5 × 2,5 cm) i dwóch detektorów krzemowych (2,5 × 2,5 cm). Zapasowymi czujnikami są dwa liczniki proporcjonalne (1,78 × 1,78 cm), jeden licznik proporcjonalny energii całkowitej (Total Energy Proportional Counter TEPC) oraz jeden licznik proporcjonalny CPC (Charged Proportional Counter). W urządzeniu znajdują się trzy źródła promieniotwórcze: dwa źródła emitujące promieniowanie alfa (o aktywności 0,9 mCi) oraz jedno źródło torowe. Dane gromadzone są w 60 MB pamięci Flash, a codziennie przesyłanych jest około 8 Mbitów danych. Cały przyrząd ma wymiary 10,2 × 17,8 × 29,2 cm, waży 3,3 kg i zużywa 7 W energii. Pole widzenia wynosi 56 stopni, a zakres pomiarowy podzielony jest na 512 kanałów.
W sierpniu 2001 roku okazało się, że instrument MARIE nie odpowiada podczas rutynowych przesyłek danych, w związku z czym został wprowadzony w stan uśpienia. Udało się go uruchomić w marcu 2002 roku, a od 13 marca przesyła dane naukowe. Kamera szukacza gwiazd wykazała brak możliwości skutecznego działania, ponieważ wpadało do niej zbyt dużo przypadkowego światła.