После почти двух десятилетий работы марсианский орбитальный аппарат NASA Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) демонстрирует впечатляющие результаты, выполняя новый манёвр для получения дополнительных научных данных. Инженеры научили зонд кувыркаться почти вверх ногами, что позволяет ему заглядывать глубже под поверхность Марса в поисках жидкой и замёрзшей воды.
Новые возможности подробно описаны в статье, опубликованной в журнале The Planetary Science Journal. В ней рассказывается о трёх «очень крупных кувырках», выполненных между 2023 и 2024 годами.
«Можно не только научить старый космический аппарат новым трюкам, но и открыть для исследования совершенно новые области под поверхностью планеты», — сказал один из авторов статьи, Гарет Морган из Института планетологии в Тусоне, штат Аризона.
Орбитальный аппарат изначально был спроектирован так, чтобы наклоняться до 30 градусов в любом направлении, чтобы направлять свои инструменты на цели на поверхности, включая потенциальные места посадки, ударные кратеры и многое другое.
«Мы уникальны тем, что весь космический аппарат и его программное обеспечение спроектированы так, чтобы мы могли кувыркаться постоянно», — сказал Рид Томас, руководитель проекта MRO в Лаборатории реактивного движения NASA в Южной Калифорнии.
Процесс кувыркания непрост. Космический аппарат оснащён пятью работающими научными инструментами, у которых разные требования к ориентации. Чтобы направить один инструмент на точное место на поверхности, орбитальный аппарат должен кувыркнуться определённым образом, что означает, что другие инструменты могут иметь менее благоприятный обзор Марса во время манёвра.
Поэтому каждый регулярный кувырок планируется за несколько недель вперёд, а команды приборов договариваются, кто и когда проводит научные исследования. Затем алгоритм проверяет положение MRO над Марсом и автоматически отдаёт команду орбитальному аппарату кувыркнуться так, чтобы соответствующий инструмент был направлен на нужное место на поверхности. В то же время алгоритм отдаёт команду солнечным батареям космического аппарата вращаться и отслеживать солнце, а антенне с высоким коэффициентом усиления — отслеживать Землю для поддержания связи и питания.
Очень большие кувырки, которые составляют 120 градусов, требуют ещё более тщательного планирования для обеспечения безопасности космического аппарата. Новыми манёврами один конкретный инструмент, называемый Shallow Radar (SHARAD), получил возможность глубже исследовать Марс, чем когда-либо прежде.
Инструмент SHARAD
Инструмент SHARAD предназначен для изучения объектов на глубине от полукилометра до двух километров под поверхностью. Он позволяет учёным различать такие материалы, как камень, песок и лёд. Радар особенно полезен для определения мест, где лёд может находиться достаточно близко к поверхности, чтобы будущие астронавты однажды могли получить к нему доступ. Лёд будет иметь ключевое значение для производства ракетного топлива для возвращения домой и важен для изучения климата, геологии и потенциала жизни на Марсе.
Однако команда SHARAD знала, что инструмент может работать ещё лучше. Чтобы камеры, подобные эксперименту по получению научных данных с высоким разрешением (HiRISE), могли лучше просматривать переднюю часть MRO, два сегмента антенны SHARAD были установлены в задней части орбитального аппарата. Такая настройка помогает камерам, но также означает, что радиосигналы, которые SHARAD посылает на поверхность, сталкиваются с частями космического аппарата, что приводит к интерференции сигналов и менее чётким изображениям.
«Инструмент SHARAD был разработан для исследования объектов вблизи поверхности, и есть отдельные регионы Марса, которые нам пока недоступны», — сказал Морган, соинвестор команды SHARAD. «Можно многого добиться, если присмотреться к этим регионам поближе».
В 2023 году команда решила попробовать разработать 120-градусные очень большие кувырки, чтобы обеспечить радиоволнам беспрепятственный путь к поверхности. Оказалось, что этот манёвр может усилить радарный сигнал в 10 раз и более, обеспечивая более чёткую картину марсианского подземелья.
Но кувырок настолько велик, что антенна связи космического аппарата не направлена на Землю, а его солнечные батареи не могут отслеживать солнце.
«Для выполнения очень крупных кувырков требуется специальный анализ, чтобы убедиться, что у нас будет достаточно энергии в батареях для безопасного выполнения кувырка», — сказал Томас.
Учитывая затрачиваемое время, миссия ограничивает себя одним или двумя очень крупными кувырками в год. Но инженеры надеются использовать их чаще, оптимизируя процесс.
Пока учёные SHARAD получают пользу от этих новых приёмов, команда, работающая с другим инструментом MRO, Mars Climate Sounder, максимально использует стандартные возможности кувыркания орбитального аппарата.
Инструмент Mars Climate Sounder, созданный в JPL, представляет собой радиометр, который служит одним из наиболее подробных источников информации об атмосфере Марса. Измеряя незначительные изменения температуры в течение многих сезонов, Mars Climate Sounder раскрывает внутреннюю работу пыльных бурь и облачного формирования. Пыль и ветер важны для понимания: они постоянно изменяют марсианскую поверхность, а переносимая ветром пыль покрывает солнечные панели и представляет угрозу для здоровья будущих астронавтов.
Инструмент Mars Climate Sounder был спроектирован так, чтобы поворачиваться на карданном подвесе, чтобы получать вид на марсианский горизонт и поверхность. Он также обеспечивает вид на космос, который учёные используют для калибровки инструмента. Но в 2024 году стареющий карданный подвес стал ненадёжным. Теперь Mars Climate Sounder полагается на стандартные кувырки MRO.
«Раньше кувырки ограничивали наши научные исследования», — сказал временный главный исследователь Mars Climate Sounder Армин Кляйнбоэль из JPL, — «но мы включили их в наше рутинное планирование как для обзора поверхности, так и для калибровки».
Предоставлено NASA