Миссия Curiosity

Казалось, что 6 августа 2012 г. весь мир на несколько часов перенесся в середину 70-х годов. В те времена, когда новости о космических стартах попадали на первую полосу «Правды», а самыми интересными сюжетами программы «Время» были обстоятельные, многодневные отчеты из Байконура о подготовке к запуску очередного «Союза». Момент истины – серебристая ракета на секунду замирает на столбе пламени возле самой земли и буквально через мгновение превращается в крохотный огонек в зените. Мальчишки в тысячах квартир по всему Союзу синхронно выдыхают. Получилось. Тогда мы не знали, что «прямые» репортажи показывают нам с небольшой задержкой и если что-то пойдет не так, мы этого просто не увидим.

6 августа 2012 г. с тем же, почти забытым замиранием сердца, весь мир следил за кульминационной частью миссии NASA Mars Science Laboratory – посадкой марсохода Curiosity на поверхность Красной планеты. Несмотря на кажущуюся абсурдность и сложность посадочной системы, именно это решение позволило Curiosity благополучно добраться до точки назначения в кратере Гейла и довести счет успешных посадок на Марс до 7 из 12. Вообще же, за 50 лет космических исследований было совершено 38 попыток добраться до Марса, и только половина из них оказались удачными. Главная миссия Curiosity: установить, существовала ли когда-либо на Марсе жизнь и имеются ли там пригодные для жизни условия, собрать подробные сведения о климате и геологии планеты, провести разведку для подготовки будущей пилотируемой миссии на Марс.

Характеристики

Curiosity — самый большой марсианский спускаемый аппарат за историю исследования. Он весит 899 кг при размерах 2,9×2,7×2,2 м и несет на себе 80 кг научного оборудования. Марсоход вряд ли поставит рекорды скорости. Его максимальная скорость в автоматическом режиме 90 м/ч (средняя 30 м/ч). Планируется, что за 2 года миссии он проедет около 19 км. Зато Curiosity может преодолевать препятствия высотой до 75 см.

Все шесть колес, диаметром 50 см, расположенные на концах титановых «ног», имеют независимые двигатели, а четыре из них, передние и задние, — управляемые, что позволяет Curiosity разворачиваться на 360 градусов на месте. Рисунок на «шинах» помогает определять пройденное расстояние и повторяет набранную азбукой Морзе аббревиатуру JPL (Jet Propulsion Laboratory – создатели марсохода).

Питается Curiosity от радиоизотопного термоэлектрического генератора, использующего тепловую энергию радиоактивного распада плутония-238. На начало миссии генератор ровера выдает 125 Вт энергии, через 14 лет, если марсоход проработает столько времени, мощность снизится до 100 Вт. Вот бы такие вечные батарейки в современные смартфоны, только, пожалуйста, без сопутствующей радиации.

Компьютер и ПО

Curiosity полностью самостоятельно совершил посадку на Марс и большую часть времени будет работать в автоматическом режиме, так что основное внимание при разработке компьютерных систем марсохода уделялось надежности. NASA не гонится за новизной, до недавнего времени они, вместе с военными, были самыми крупными потребителями процессоров Intel 80386 (1985–2007). Так что NASA доверяет классике.

На Curiosity два одинаковых компьютера, основной и дублирующий. Rover Compute Element (RCE) построен на чипе RAD750, выпускаемом BAE Systems Electronic Solutions, специальной радиационно-защищенной версии IBM PowerPC 750, разработанной еще в 1995-97 гг. Кстати, этот чип был сердцем многих компьютеров Apple, в том числе и оригинального iMac в 1998 г. Видимо, по этой причине во время посадки в JPL (Jet Propulsion Laboratory) было так много инженеров за ноутбуками Apple. Кто там говорил, что компьютеры Apple — это не более чем дорогие понты и игрушки, и не предназначены для серьезной работы? Впрочем, RAD750 был представлен чуть позже, в 2001 г., а первый космический аппарат с таким чипом на борту стартовал в 2005 г.

RAD750 содержит 10,4 млн. транзисторов (Intel Core i7 Ivy Bridge – 1,6 млрд.), изготовляется по 250 или 150 нм процессу (текущий техпроцесс Intel – 22 нм). Процессор работает на частоте 110–200 МГц (Intel Core i7 Ivy Bridge – 2,1 ГГц) и потребляет 5 Вт. Не самый мощный чип, к тому же выпускающийся ограниченным тиражом, на сегодня поставлено чуть более 150 процессоров. Да еще и стоит дурных денег. Система, процессор RAD750 на материнской плате, обходится примерно в $200,000!

Но зато RAD750 выдерживает от 200,000 до 1,000,000 рад поглощенной дозы радиации (смертельная для человека доза 600 рад) и работает при температуре от −55 до +125°C. И это важней, чем производительность и стоимость. Каждый Rover Compute Element оснащается устойчивой к радиации 256 КБ EEPROM, 256 МБ DRAM и 2 ГБ флеш-памяти.

Работает Rover Compute Element под управлением VxWorks, операционной системы для встраиваемых компьютеров от Wind River Systems (сейчас, кстати, принадлежащей Intel). Первая версия VxWorks вышла 27 лет назад, в 1985 г. Текущий стабильный релиз 6.9 от февраля 2011. VxWorks используется в самолетах, автомобильных компьютерах (например, BMW iDrive), боевых вертолетах, поездах, роботах, принтерах, спутниковых телефонах Thuraya и космических аппаратах.

Кто-то пошутил, что сегодня у каждого из нас в кармане компьютер, во много раз мощней того, что помог NASA запустить человека на Луну в 1969, а все, для чего он используется, это запуск птиц в свиней в Angry Birds. Это действительно правда, как правда и то, что компьютер Curiosity слабей самого слабого современного смартфона, но у него совсем иные задачи.

Научное оборудование

Curiosity несет на себе 80 кг научного оборудования. Достаточно много инструментов размещено в «голове» и «руке» робота.

В «голове», делающей марсоход похожей на робота Wall-E, размещаются 7 из 17 камер ровера. Две MastCam позволяют получать цветные снимки с разрешением 1600×1200 пикселей или видео 720p (1280×720) с частотой 10 к/с. Одна из камер среднеугольная (34 мм), вторая дальнобойная (100 мм). Каждая из камер оснащается 8 ГБ памяти. Макро такими камерами не снимешь, минимальное фокусное расстояние – 2,1 м.

 

Для макросъемки предназначена другая камера, MAHLI, смонтированная в «руке» и используемая для исследования грунта. Ее разрешение тоже 1600×1200 пикселей.

Еще одна камера, MARDI, с таким же разрешением 1600×1200 пикселей, размещена в днище и производит автоматическую съемку поверхности Марса во время посадки с высоты 3,7 км. Эти снимки используются для картографирования места посадки и будущих исследований. У этого аппарата тоже 8 ГБ памяти.

Четыре черно-белых камеры Hazcams используются для навигации и размещены по углам ровера. Эти устройства являются частью автоматической системы избежания столкновений. Еще две черно-белых навигационных камеры Navcams расположены в «голове» марсохода и позволяют получать стереоскопические снимки.

Между «глазами» Curiosity находится ChemCam, комплекс из регистрирующих камер и лазерного спектрометра, который будет прожигать грунт для исследования в 7 м от ровера.

Кроме камер на Curiosity достаточно дополнительного научного оборудования. Так, модуль REMS – это марсианская метеостанция, фиксирующая давление, влажность, скорость ветра, температуру и уровень радиации. APXS – рентгеновский спектрограф, исследующий образцы грунта. CheMin – целых четыре минералогических и химических спектрографа. RAD – счетчик радиации внутри модуля, для оценки опасности пребывания на Марсе людей. DAN – датчик воды и льда. SAM – инструмент для исследования органики и газов. Все-таки ученые очень надеются найти на Марсе воду и хотя бы простейшие организмы.

В «руке» Curiosity находится дрель и инструменты для забора образцов. Если сверло застрянет в образце, его можно бросить, заменив на запасное. Имеется даже специальный инструмент для удаления пыли с камней при взятии образцов.

Посадка

Трехметровый Curiosity ( 2,9х2,7х2,2 м) весит почти 899 кг, в 6 раз больше, чем его предшественники Spirit и Opportunity. Атмосфера Марса недостаточно плотная для того, чтобы полностью довериться парашютной системе, но игнорировать ее тоже нельзя. Ракетные тормозные двигатели могут поднять в воздух тонны пыли, затрудняющую посадку и способную повредить системы марсохода. При этом масса Curiosity не позволяет использовать тормозные подушки, как у его предшественников. В итоге инженеры NASA остановились на весьма изощренной и на первый взгляд безумно сложной схеме посадки, которая, впрочем, оказалась правильным выбором.

7 минут ужаса и неизвестности, плюс 14 минут задержки между Марсом и Землей, стали для инженеров и руководителей миссии Mars Science Laboratory самыми длинными в жизни. В миллионах километров от дома Curiosity в полностью автоматическом режиме должен был совершить самую сложную посадку в истории космонавтики.

На высоте 1600 км отстреливается полетный модуль с системами связи, терморегуляции и корректировочными двигателями. Через 10 минут MSL на высоте 125 км при скорости 5,9 км/с входит в атмосферу Марса, в 100 раз более разреженную, чем земная. Впрочем, это не мешает ей на высоте 50 км разогреть спускаемый аппарат до 2100 K, от которой Curiosity защищает специальный теплозащитный экран. Температура самого марсохода в капсуле не превышает 10°C. За счет создаваемой капсулой подъемной силы, смещенного центра тяжести и небольших маневровых двигателей спуском можно управлять, что позволило аппарату совершить намного более точную посадку, чем его предшественникам.

На высоте 11 км скорость падает до 405 м/с и открывается сверхзвуковой, суперпрочный парашют, самый большой из созданных человечеством. На 8 км, при скорости 125 м/с отделяется уже ненужный тепловой щит и включается радар, вычисляя высоту и скорость снижения. На высоте 1,6 км, на скорости 80 м/с парашют и защитная капсула отделяются и начинается недолгое свободное падение. А затем врубаются все 8 тормозных ракетных двигателя и отводят Curiosity чуть в сторону, чтобы не столкнуться с падающими капсулой и парашютом. Начинается торможение.

На высоте 20 м в работу вступает самый необычный кран в Солнечной системе. Марсоход начинает спускаться к поверхности планеты на трех троссах, сам Sky Crane снижается со скоростью 0,75 м/с, а затем зависает на высоте 7,5 м и медленно опускает Curiosity на Марс. 2 секунды необходимы для подтверждения посадки, затем тросы отстреливаются, а сам кран отлетает на 150 м в сторону, чтобы не повредить ровер. Посадка завершена, через 13 минут 46 секунд на Земле все облегченно выдохнут.

Curiosity и компания

Сейчас на Марсе и его орбите функционируют пять космических аппаратов, срок службы которых уже в несколько раз превосходит планировавшийся изначально. 2001 Mars Odyssey 10 с половиной лет работает на орбите Марса, хотя его миссия была рассчитана только на 3 года. Mars Express крутится вокруг Красной планеты уже 9 лет и продолжает присылать научные данные. Mars Reconnaissance Orbiter в строю уже почти 7 лет (планировалось 2 года) и даже сумел сфотографировать планирующий на парашюте Curiosity во время его посадки. Ну и наконец, предыдущий марсоход Opportunity, с 2004 года, уже 3100 дней (вместо 90 планируемых) катается по поверхности Марса, передавая данные и фотографии. Конечно, пройденные за 8 лет 34,580 м не тянут на мировой рекорд дальности (у Лунохода-2 – 37 км), но для инопланетного транспорта это феноменальный результат. Его близнец, Spirit, проработал на Марсе 2695 дней, правда, последний год в качестве стационарной платформы.

Curiosity попал в хорошую компанию. Его миссия рассчитана на 668 сол (марсианских дней) или 23 земных месяца, но учитывая долгожительство его предшественников, будем надеяться на лучшее.

Show must go on

NASA — одна из немногих научных организаций, которая активно занимается не только наукой, но и пропагандой науки, и делает это очень важное дело весьма успешно. Возвращая нам ощущения далекого детства.

На этот раз NASA подготовила настоящее шоу, с прямой трансляцией из ЦУП, онлайновыми ресурсами, посвященными миссии MSL, марсианскими мобильными приложениями, твиттером марсохода и т.д.

Вот некоторые официальны ресурсы миссии MSL, где можно найти массу фото, интерактивных элементов, видео, диаграмм и т.д.
Официальная страница на сайте NASA
Интерактивный сайт Curiosity
Официальный Твиттер Curiosity
Официальная страница на Facebook
Приложение NASA Be A Martian – iPhone, Android и Windows Phone
Приложение NASA App HD для iPad

У NASA вообще много приложений для iOS
Есть даже бесплатная игра для ПК на Steam – Moonbase Alpha симулятор действий в чрезвычайных ситуациях на будущей лунной базе. Кстати, используемая в игре техника и устройства – реальные прототипы NASA.

Миссия Curiosity

Имя для Mars Science Laboratory в рамках объявленного NASA конкурса предложили дети-школьники. В финальном списке присутствовали Adventure («Приключение»), Amelia (в честь Амелии Эрхарт), Curiosity («Любопытство»), Journey («Путешествие»), Perception («Восприятие»), Pursuit («Стремление»), Sunrise («Восход»), Vision («Видение»), Wonder («Удивление»). Символично, что в онлайн-голосовании на сайте NASA пользователи выбрали именно Curiosity. То чувство, которое присуще всем детям, но теряется по мере взросления. То, чего так не хватает сейчас Земле и землянам, успевшим забыть, что именно любопытство является основным двигателем научно-технического прогресса. То чувство, что влечет за горизонт, туда, где не ступала еще нога человека.

Само название предложила 12-летняя школьница Клара Ма, из Канзаса, и я, пожалуй, приведу здесь ее эссе полностью:

«Любопытство, это неугасающее пламя, пылающее внутри нас. Именно оно поднимает меня утром из постели в ожидании сюрпризов, которые приготовил мне новый день. Любопытство это мощная сила. Без него мы бы не были теми, кем есть сегодня. Когда я была младше, я задавала окружающим вопросы, «Почему небо синее?», «Почему звезды мерцают?», «Почему я, это я?», и я не останавливаюсь. У меня есть много вопросов, и Америка это то место, где я хочу найти ответы на них. Любопытство это та страсть, которая ведет нас через нашу повседневную жизнь. Мы, люди, стали исследователями и учеными потому, что мы нуждаемся в ответах на вопросы и удовлетворении своего любопытства. Конечно, на этом пути много рисков и опасностей, но несмотря на это, мы продолжаем задавать вопросы, и мечтать, и творить, и надеяться. Мы уже узнали так много об окружающем нас мире, но это только малая толика. Мы, наверное, никогда не будем знать все, что возможно, но с нашей всепоглощающей любознательностью мы узнаем еще очень много».

Джереми Кларксон, тот самый ведущий Top Gear и неплохой писатель, сказал после катастрофы шаттла «Колумбия»:

«Да, я прекрасно понимаю, что предназначение шаттла на данный момент заключается только в обслуживании орбитальной станции. Да, я прекрасно понимаю, что проверка, может ли цвести герань в невесомости, – это еще одна ступень в познании человеком Вселенной. Но мы забываем главное. Неважно, что творится на самой станции. Гораздо важнее, что мы смогли построить такую штуковину. Шаттл – одно из самых загадочных и потрясающих технологических изобретений современности. И это единственный стоящий подарок Америки всему миру.»

Даже если Curiosity и не откроет жизнь на Марсе и не пришлет нам фотографию улыбающихся марсиан, со своей основной задачей, пробуждением у людей любопытства, он уже справился. И это важней состава марсианского грунта и сводки погоды в кратере Гейла. Мы слишком долго смотрели себе под ноги и в экраны компьютеров. Может быть, пришла пора снова поднять взгляд к звездам?