Panorama Marsa okiem łazika Curiosity, budowa łazika

26 listopada 2011 roku rakieta Atlas V z sondą zawierającą łazik Curiosity została wystrzelona w przestrzeń kosmiczną. Łazik niedawno wylądował na czerwonej planecie i przesłał pierwsze zdjęcia, z których została utworzona panorama. Czym jest łazik i jakie są jego możliwości? Co możemy zobaczyć na Marsie?

Panorama

Zobacz także:
Pierwsza jazda łazika Curiosity po Marsie, pierwsze badanie i… pierwsza usterka
inne wiadomości o misji łazika Curiosity na Marsie

Zacznę może nieco nie po kolei, bo od panoramy Marsa. Jest to jednak jedna z ciekawszych informacji.

Autorem poniżej panoramy jest fotograf Andrew Bodrov. Posłużył się pierwszymi czarno-białymi zdjęciami, które obrobił przy pomocy Photoshopa dodając m.in. kolor i słońce na niebie:

Autor planuje utworzyć podobną panoramę z kolorowych zdjęć, ale NASA jeszcze nie opublikowała ich wystarczającej ilości – ma chwilę obecną można jednak zobaczyć fragmenty panoramy w kolorze:


Zdjęcia w pełnej rozdzielczości dostępne są na stronach NASA.

 

Curiosity

O samym łaziku można by napisać wiele. Postaram się streścić najważniejsze informacje. Dokładne opisy (po angielsku) znajdują się na stronach NASA.

Curiosity to łazik marsjański wysłany w sondzie na rakiecie Mars V 26 listopada 2011 roku. Ma zainstalowanych tyle przyrządów pomiarowych, że spokojnie można go nazwać samojezdnym laboratorium na kółkach:

Wśród najważniejszych narzędzi łazika znajdują się:

  • ChemCam – spektrometr wysyłający wiązkę laserową w kierunku skał w celu zbadania ich składu chemicznego
  • Mastcam – stereoskopowy aparat rejestrujący zdjęcia 3D
  • REMS – rodzaj stacji pogody rejestrujący m.in. silę wiatru, temperaturę czy siłę promieniowania UV
  • SAM – analizator próbek mający za zadanie m.in. szukać związków węgla oraz metanu, innymi słowy szukać śladów życia na Marsie
  • CheMin – to element korzystając z promieniowania rentgenowskiego, mający na celu zbadać obfitość różnych minerałów
  • APXS – analizator składu chemicznego skał i gleby przy pomocy cząstek alfa i promieniowania rentgenowskiego
  • MAHLI – Aparat fotografujący analizowane skały
  • MARDI – Aparaty z przodu pojazdu
  • RAD – detektor promieniowania
  • DAN – detektor neutronów będący narzędziem pomocnym w poszukiwaniu wody

 

Bardziej techniczna specyfikacja łazika

Komputery i zasilanie

Sercem Curiosity są dwa identyczne komputerym które są zduplikowane (jak spora część innych elementów) na wypadek, gdyby pierwszy zawiódł – jego rolę przejmie drugi. Komputery napędzane są procesorami RAD750 taktowanymi z częstotliwością 200MHz wspomaganymi 256 MB pamięci DRAM, 2GB pamięci Flash i 256 KB pamięci EEPROM. Specyfikacja komputerów łazika wygląda dość kiepsko w porównaniu choćby ze sprzętem z którym mamy do czynienia w najnowszych smartfonach, ale pamiętajmy, że łazik to nie jest smartfon -  sprzęt musi niezawodnie pracować na obcej planecie i zmagać się np. z promieniowaniem kosmicznym. Zarówno procesor jak i pamięci zostały zaprojektowane tak, aby działać bezbłędnie nawet w tak ekstremalnych warunkach. Inny aspekt to energia elektryczna, której łazik nie ma zbyt wiele a musi zaspokoić wszystkie działające na nim urządzenia. Źródłem zasilania łazika jest radioizotopowy generator termoelektryczny.

Komunikacja

Rover z Ziemią może komunikować się na dwa sposoby – bezpośrednio i za pomocą satelit znajdujących się na orbicie Marsa. Służą mu do tego 3 anteny (które także są zduplikowane):

  • antena fal decymetrowych służy do komunikacji z dwoma orbiterami (satelitami) – Mars Odyssey i Mars Reconnaissance, które przesyłają dane dalej na Ziemię. Jest to antena krótkiego zasięgu, pracująca na częstotliwości 400MHz, zatem całość działa bardzo podobnie jak sprzęt CB radio
  • antena kierunkowa o dużym zysku jest anteną sterowaną i służy do wysyłania wąskiej wiązki sygnału wprost do konkretnej anteny na Ziemi. Dzięki możliwości sterownia nią oszczędzana jest energia (łazik nie musi się ustawiać w odpowiednim kierunku i przerywać innych zadań, ustawiana jest sama antena). Antena ta służy do odbioru komend dotyczących misji.
  • antena dookolna (wielokierunkowa) o niskim zysku służy do wysyłania bezpośrednio informacji na ziemię.

Jak wspomniałem wyżej, możliwość wysyłania danych na ziemię możliwa jest bezpośrednio z Couriosity, lub poprzez orbitery na orbicie Marsa. Pierwszy sposób zapewnia transfer w granicach 500 do 32000 bitów na sekundę, co jest odpowiednikiem 62,5B/s do 4kB/s. Sytuacja ma się nieco lepiej z transferem do orbiterów – komunikacja z Mars Reconnaissance możliwa jest z prędkością do 2Mb/s, a z Mars Odyssey 128kb/s lub 256kb/s. Curiosity jest w stanie komunikować się z orbiterem maksymalnie przez 8 minut – jest to czas, w którym orbiter znajduje się dostatecznie blisko łazika i jest w jego „polu widzenia”. W tym czasie możliwe przesłanie jest od 100 do 250 megabitów informacji (od 12,5 do 31,25 MB), których transmisja przez orbiter na ziemię potrwa kolejne do 20 godzin.

Łazik jest w stanie wysyłać informację na ziemię zaledwie przez kilka godzin (z resztą robi to z bardzo małą prędkością) aby oszczędzać energię. Z tego powodu jest to mniej wykorzystywana metoda komunikacji. Orbitery „widzą” Ziemię około 16 godzin na dobę, a ponieważ na transmisję mogą zużyć większą ilość energii, są w stanie transmitować dane szybciej – 31,25MB w 20h daje około 0,45kB/s czyli około 3,5kb/s. Sumarycznie daje to mniej niż 1GB danych w ciągu miesiąca (niestety nie znalazłem informacji, czy te dane dotyczą jednego orbitera, czy obu na raz, wiemy za to, że Mars Resistanse będzie transmitował większość danych na Ziemię) w których muszą się zmieścić nie tylko zdjęcia, ale i inne dane oraz aktualizacje oprogramowania (cała dodatkowa komunikacja).

Kamery

Curiosity został wyposażony w sumie w 17 aparatów/kamer. 12 z nich wspomaga łazika w misji, a 5 przeznaczonych jest do celów naukowych (do wykonywania zdjęć). W skład tych ostatnich wchodzą MastCam, MAHLI, MARDI i ChemCam. Wszystkie poza ostatnią mają matryce o rozdzielczości 1600×1200 (2MP), ale inną optykę i przeznaczenie.

MARDI jest szerokokątną kamerą, zdolną robić zdjęcia i nagrywać filmy (max 4 klatki na sekundę w HD) w kolorze. Znajduje się z boku przedniej części pojazdu. Została używa m.in. podczas lądowania – nagrała ostatnią fazę lądowania, aby naukowcy mogli ocenić gdzie i na jakim podłożu wylądował łazik.

MastCam to jedna z ciekawszych kamer. Składa się z dwóch prawie identycznych urządzeń i jest zdolna wykonywać kolorowe zdjęcia 3D, nagrywać filmy w HD z szybkością 10 klatek na sekundę i wykonywać ostre zdjęcia obiektów znajdujących się nawet 2 metry przed pojazdem. MastCam zawiera także zestaw filtrów przez które łazik wykonuje zdjęcia monochromatyczne pozwalając na analizę absorpcji światła w różnym jego spektrum. Inną własnością tej kamery jest własny system przetwarzania obrazu, który odciąża główną jednostkę w procesie np. kompresji. To właśnie za pomocą tej kamery otrzymujemy kolorowe zdjęcia panoramy Marsa (do jej wykonania potrzebne jest 150 zdjęć wykonanych w powolnym ruchu obrotowym aparatu). MastCam znajduje się na maszcie na wysokości około 2 metrów.

MAHLI to kamera umieszczona na ramieniu łazika a jej celem jest głównie wykonywanie zdjęć skał i gleby. Jest ona zdolna do robienia ostrych zdjęć z odległości 2 centymetrów i służy bardziej jako mikroskop – potrafi wykonać zdjęcia obiektów o wielkości 15 mikronów, czyli połowy średnicy ludzkiego włosa. Własnością tego aparatu jest robienie zdjęć także w ciemnościach – do tego celu może użyć 4 białych diod led i 2 ultrafioletowych.

Hazcams są to 4 pary kamer umieszczonych w dolnej części z przodu i tyłu pojazdu. Są to aparaty o rozdzielczości 1MP wykonujące czarno-białe trójwymiarowe zdjęcia. Ich zadaniem jest rejestrowanie obrazu przed i za pojazdem. Obraz po obróbce przez oprogramowanie służy łazikowi do nawigacji, w tym omijania przeszkód, które mogły by go uszkodzić. Kamery rejestrują obraz w zakresie 120 stopni do 3 metrów.

Navcams to zestaw 2 czarno-białych kamer umieszczonych na maszcie. W połączeniu z Hazcams służą nawigacji i planowaniu trasy łazika na powierzchni Marsa. Ten zestaw kamer ma 45-stopniowy kont widzenia i może rejestrować obraz stereoskopowy (3D) z rozdzielczością 1MP.

Transfer zdjęć na Ziemię

No dobrze, ale czemu kamera MastCam (i inne) mają matryce o rozdzielczości tylko 2MP podczas gdy aparaty w smartfonach mają wyższe rozdzielczości, nawet o dwucyfrowej ilości megapikseli? Powodów jest wiele. Najważniejszym ograniczeniem jest pasmo transmisji danych, które jest mocno ograniczone (3,5kb/s). Zdjęcia w wyższej rozdzielczości zajmowały by większą jego część, a co za tym idzie dłużej trwała by ich transmisja – za długo. Inny aspekt to projekt – użyte zostały sprawdzone aparaty co do których była (prawie) pewność, że będą prawidłowo działać na Marsie. W momencie projektowania łazika nie istniały też technologie, z których korzystamy obecnie a w dalszej fazie konstruowania łazika nie można sobie pozwolić na zmianę matryc z dnia na dzień. Innymi słowy użyty został sprawdzony i przetestowany sprzęt, który nie powinien zawieźć na Marsie, oraz nie spowoduje zapchania i tak obciążonych łącz z Ziemią.

Zastanawiające może być również, dlaczego pomimo ograniczonego pasma transmisji danych łazik posiada tyle kamer, w tym kilka nawigacyjnych. Przyczyna jest prosta. Sygnał wysłany na Marsie potrzebuje średnio 14 minut i 6 sekund na dotarcie do Ziemi. Tyle samo trwa przesłanie sygnału w drugą stronę. Daje to niemal półgodzinne opóźnienie przez co zdalne sterowanie staje się niemożliwe. Zamiast tego naukowcy będą przesyłać do Curiosity ogólne komendy dotyczące misji, a łazik autonomiczne będzie je realizował przesyłając spowrotem wyniki swojej pracy. Sam zatem będzie np. wytyczał sobie trasę do punktu docelowego omijając przy tym wszelkie przeszkody, do czego posłużą mu właśnie kamery nawigacyjne (navcams i hazcams). Obraz z tych kamer nie jest przekazywany na ziemię (choć możliwe jest wykonanie zdjęć za ich pomocą i ich przesłanie) – tak małe pasmo transmisji danych nie pozwala na transmisję na żywo z Marsa.

 

O misji

26 listopada 2011 łazik Curiosity został wystrzelony z Przylądka Canaveral w sądzie kosmicznej przy użyciu rakiety Atlas V. Przelot w kierunku Marsa trwał 210 dni, a przedostatnia faza, zbliżeniowa, kolejne 45. Ostatnim etapem było wejście w atmosferę Marsa i lądowanie po którym 6 sierpnia 2012 łazik wylądował na powierzchni Marsa w kraterze Gale.

Start przebiegał podobnie jak w przypadku innych misji, ciekawsze było za to samo lądowanie, z którego ostatnia, krytyczna faza wyglądała tak:

Na 10 minut przed lądowaniem nastąpiło rozłączanie kapsuły od modułu przelotowego (1), której silniczki korygowały trajektorię lotu. Odrzucone zostały także ciężary stabilizujące ruch obrotowy. Na 11 km nad powierzchnią Marsa otwarty został spadochron (6) i odrzucona została osłona termiczna (5). Blisko powierzchni lądownik (3) z łazikiem (4) odłączyły się od osłony tylnej (6) ze spadochronem. Na wysokości 1 km  silniki lądownika końcowo wyhamowały Curiosity i na linach łazik został bezpiecznie postawiony na powierzchni. Sama kapsuła odleciała na bezpieczną odległość.

Jedna z kamer nagrała również ostatnie minuty lądowania, aby naukowcy mogli ocenić czy lądowanie się powiodło i gdzie (na jakiej powierzchni) wylądował łazik:

Orbiter Mars Reconnaissance wykonał zdjęcie na którym widać rozmieszczenie wszystkich elementów kapsuły po lądowaniu:

Cele misji (za Wikipedią):

Eksperymenty wykonywane na powierzchni są skupione wokół następujących celów:

  • ocena możliwości występowania potencjalnych warunków do życia w przeszłości,
  • badanie możliwości utrzymania się życia organicznego na Marsie,
  • wykonanie pomiarów meteorologicznych,
  • poszukiwanie pierwiastków biogennych,
  • badanie stopnia wilgotności gleby oraz poszukiwanie wody i związków mineralnych z nią związanych,
  • pomiary widma wysokoenergetycznego promieniowania naturalnego,
    badanie składu skał i gleby,
  • charakterystyka możliwych cyklów hydrologicznych.

 

Galeria

 

 

Źródła: Wikipedia, TPM, NASA, NASA, Wired,
Obrazki: [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]

Mars Reconnaissance

Ten wpis został opublikowany w kategorii Różne, Technologie i oznaczony tagami , , , , , , , , , , , , . Dodaj zakładkę do bezpośredniego odnośnika.

Dodaj komentarz

Musisz się zalogować (także Facebook, Google+, Twitter), aby móc dodać komentarz.