29.05.2020

Спасение миссии InSight



Вот уже почти год на далекой марсианской равнине Элизий неторопливо идет работа геофизической обсерватории InSight. 26 ноября 2018 года аппарат совершил посадку вблизи экватора Красной планеты в районе 5°с.ш., 136°в.д., чтобы приступить к изучению внутреннего мира Марса. Однако ввод в строй одного из двух основных важнейших приборов миссии – зонда теплового потока и физических свойств HP3 остановился еще на стартовом этапе.

Напомним, что InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport – Исследование строения Марса на основе данных сейсмографии, геодезии и теплопереноса) – это первая миссия, посвященная изучению внутреннего строения Марса. Проект NASA должен помочь землянам собрать информацию, которая позволит лучше понять процессы формирования и эволюции планет земной группы в «древней» Солнечной системе (более 4 млрд лет назад).

Станция InSight оснащена тремя инструментами: SEIS (французский сейсмометр), HP3 (германский тепловой зонд) и RISE (американская аппаратура, служащая изучению вращения Марса). Система HP3, разработанная учеными Германского космического агентства, представляет собой инструмент для измерения тепловых потоков под поверхностью планеты. Его задача – помочь ученым более точно определить плотность грунта и скорость процесса теплоотдачи в течение суток и таким образом усовершенствовать модели тепловой инерции Марса.

Самая ответственная роль в измерении температуры планеты была отведена «кроту» – зонду, который должен был забуриться на глубину от 3 до 5 м и начать собирать информацию как можно дальше от зоны воздействия поверхностных температур. Зонд HP3 – это небольшой низкоскоростной бур, работающий по принципу самозабивающегося гвоздя, подталкиваемого внутренним ударным механизмом. Его длина составляет около 400 мм, а диаметр - 27 мм. От крота к опорной конструкции SSA, остающейся на поверхности Марса, тянется шлейф, оснащенный 14 платиновыми термодатчиками для измерения градиента температуры.

  Расчеты с использованием модели показали, что длительность замера температур для минимизации ошибок под воздействием погодных условий Марса должна равняться 0.6 марсианского года для глубины 3 м и всего 0.1 года для глубины 5 м. Выбранный диапазон глубин работы зонда представляет собой лучший компромисс между требованиями к максимально точному и быстрому измерению тепловых потоков и пределами, установленными правилами планетарной защиты.

  Установку HP3 вынесли на поверхность Марса на 76-й сол пребывания на планете (соответствовал 12 февраля на Земле), а процесс заглубления зонда начался в 92-й сол (28 февраля). Первая попытка бурения длилась 4 часа. За первые пять минут работы зонд смог продвинуться на глубину около 30 см, но затем отклонился на 15° от вертикального положения. После этих манипуляций крот остывал три дня, готовясь к продолжению работы. Однако 3 марта он продвинуться не смог и уже полгода находится в одном положении.
Специалисты миссии склоняются к тому, что крот застрял из-за слишком малого трения об окружающий его реголит. Каждая попытка аппарата углубиться под поверхность Марса приводит к «отскоку» в обратном направлении. Такая версия представляется ученым более правдоподобной, чем столкновение с камнем, который зонд не смог оттолкнуть, или застреванием шлейфа в направляющей трубе.

  Гипотеза о недостаточном трении представляется и самой вероятной, и самой благоприятной, поскольку при таком сценарии оказать помощь прибору все же возможно. Бур рассчитан на то, чтобы отталкивать маленькие камни или обходить их, однако более крупные камни могут помешать ему прокладывать путь. Организаторы миссии выбрали в качестве места посадки аппарата широкую плоскую равнину недалеко от марсианского экватора с целью минимизировать шансы столкновения бура с преградами. Согласно расчетам ученых, зона посадки аппарата характеризуется крайне низким содержанием камней, составляющим всего несколько процентов. Вероятность встречи крота с крупным камнем между поверхностью и глубинами 3 и 5 м по предварительным расчетам составляла 43 и 59% соответственно (расчеты сделаны с учетом самых пессимистичных моделей, при которых содержание камней приравнивается 5%). Однако при более оптимистичных (и одновременно менее консервативных) предположениях о количестве камней в этой области и о возможностях зонда успешность миссии оценивалась в 98% для глубины 3 м и 90% - для 5 м.

Реанимация зонда на расстоянии 385 млн км – дело непростое. В течение трех марсианских дней – 203-го, 206-го и 209-го (то есть с 23 по 29 июня) с помощью роботизированной руки ученые смогли поднять опорную конструкцию SSA с грунта до высоты 52 см и перенести ее на 20 см ближе к посадочному модулю. До этого опорная конструкция стояла над участком работы крота, таким образом мешая ученым наблюдать за его поведением прибора и делать выводы о характеристиках почвы в этой области.
 
Эта операция представляла немалый риск, так как изначально не планировалась: роботизированная рука IDA должна была разместить прибор HP3 на грунте однократно. Более того, она досталась InSight от другой миссии и вообще не была рассчитана на подъем крота. Важно было в ходе перемещения SSA не побеспокоить бур, не вытащить его случайно из грунта и не опрокинуть. Если бы «крот» оказался за пределами проделанного в реголите отверстия, прибор потерял бы шансы на спасение. Схватить его было просто не за что, да и запустить внедрение в грунт без «станка» было бы невозможно. Несмотря на все опасения, «рука» не подвела.

  Подвинув SSA, ученые убедились: анализ был верным. Зонд действительно торчал из отверстия, погрузившись на 30-35 см, так что около 5 см зонда оставались над уровнем грунта. Подтвердилась и теория, что крот перестал зарываться в землю, когда покинул направляющий канал опорной конструкции, который на первом этапе обеспечивал необходимое трение. Как сообщил руководитель эксперимента Тильман Шпон, диаметр «норки» оказался даже больше, чем ученые ожидали: около 6 см, что в два с лишним раза раза больше диаметра зонда. Таким образом, «крот» во время попыток углубиться в марсианский грунт, вероятно, прецессировал как волчок. Более того, судя по изгибу шлейфа, зонд провернулся вокруг своей продольной оси по часовой стрелке примерно на 135°.

  Снимки показали также, что ножки опорной конструкции оставили четкие и стабильные отпечатки, что свидетельствует о связности грунта. Судя по фотографиям скважины, в области бурения попался слой достаточно связного грунта, со слежавшейся глиной, конкрециями и, может быть, пустотами над слоем песка. Объяснение, считает Шпон, может быть такое: зонд столкнулся со слоем дюрикраста – плотной корки реголита толщиной в 5-10 см. По мнению геологов, он состоит из сцементированного песка.

  Вероятно, почва в районе “раскопок” зонда хорошо уплотняется и скрепляется, в результате чего крот умудрился создать полость вокруг себя и лишился необходимого для продвижения трения, которое не давало бы ему отскакивать назад. Тесты, проведенные в Германии, подтвердили эту теорию. Тильман Шпон отмечает: «Мы всегда знали, что существуют риски, обусловленные окружающей средой, которые могут остановить крота. Что мы сделали, так это подготовились как могли, чтобы это были взвешенные риски». Почва с низким коэффициентом трения оказалась неожиданностью: в других областях Марса грунт имеет другие характеристики, на которые и была рассчитана буровая установка.

  Даже в июле ученые еще верили, что дюрикраст вокруг ямки можно легко обрушить, а это в свою очередь должно способствовать увеличению трения и успешному продолжению работы. Поэтому инженеры миссии предложили надавить ковшиком роботизированной руки на поверхность рядом с погруженным в реголит зондом.

  Первые два надавливания лопаткой роботизированной руки IDA были совершены в 240-й сол (30 июля) плоской частью ковшика площадью 65 см2, за ними последовали четыре нажатия острой кромкой (солы 243, 246, 250 и 253) и наконец – снова плоской стороной в 253-й сол (13 августа).
Эти меры не помогли засыпать ямку, однако с правой стороны скважины было отмечено частичное обрушение. Вероятно, оно указывает на некоторую неоднородность деформационных свойств дюрикраста. Фотографии также показали, что ямку удалось частично заполнить – примерно до половины ее первоначальной глубины.

  На основании этих данных Тильман Шпон пришел к выводу, что дюрикраст в этой области имеет предел сжатия как минимум в несколько сотен кПа и находится под слоем рыхлой пыли толщиной около сантиметра (именно этот материал больше всего двигался и спрессовывался толчками). Интересно, что предварительная оценка, сделанная Шпоном на основе показаний датчика наклона оказалась достаточно точной – сопротивление верхнего слоя бурению составляло 300 кПа. Удалось установить, что после начала работы крот приподнял опорную конструкцию, углубляясь при этом на 7 см под поверхность, после чего пробил твердую корку, а опорная конструкция опустилась и приняла ровное положение.

  Несмотря на проблемы с продвижением зонда на необходимую глубину, сам прибор функционирует так, как и было запланировано, поскольку сохранилась его способность измерять теплопроводность и рассеивание тепла. Это означает, что ученые смогут откалибровать термодатчики, расположенные на шлейфе зонда. Если кроту удастся добраться до глубины 50 см, первый термодатчик войдет в грунт, и зонд сможет начать измерения тепла, исходящего от ядра Марса. Внутреннее тепло Красной планеты – это отчасти остаточное явление со времен формирования планеты и отчасти результат радиоактивного распада в ее недрах.

Команда миссии InSight проводит дополнительные исследования при помощи радиометрического прибора, входящего в систему HP3. Так, с его помощью аппарат зафиксировал падение температуры марсианской поверхности во время затмений Солнца Фобосом (спутник трижды пересек звездный диск «на глазах» земного аппарата). Каждое затмение длилось около 30 секунд и привело к падению температуры примерно на 1°C. Информация, собранная при этом спектрометром, поможет лучше определить теплофизические свойства верхних слоев марсианской почвы.

  В конце августа «реанимация» зонда была временно приостановлена, поскольку Марс и Земля оказались в противостоянии, и коммуникация между землянами и марсианскими роботизированными «посланниками» оказалась затрудненной. Марс для Земли во время противостояния становится «невидимым», поскольку прячется за Солнцем. В этот период горячий ионизированный газ, выбрасываемый из короны нашей звезды, может исказить команды, направляемые с Земли марсианским аппаратам, и спровоцировать их на непредсказуемое «поведение». Поэтому общение с аппаратами на поверхности соседней планеты прекращают.

В этом году обсерватория InSight оказалась предоставлена самой себе с 28 августа по 7 сентября. В эти дни она продолжала спокойно собирать данные о внутренней жизни Марса и фотографировать поверхность без назойливого внимания Земли.
После окончания противостояния InSight передал землянам новые снимки, сделанные за время «отпуска». В твиттер-аккаунте миссии 14 сентября появилась запись от лица антропоморфного аппарата, который сообщил своим подписчикам, что пока «планирует дальнейшие действия».

  Специалисты миссии использовали перерыв в общении с аппаратом для поиска новых способов возвращения инструмента к рабочему состоянию. Часть команды во время перерыва трудилась над вариантами спасения зонда, пробовала в лабораторных условиях воссоздать ситуацию, другая часть наконец-то смогла отправиться в отпуск после тяжелой долгой работы.
Любое новое действие должно было быть безопасным для HP3, для роботизированной руки, а также для сейсмометра, установленного близко к «кроту». Ведь стоит согнуть или тем более сломать любое устройство, и шансов на ремонт на Марсе не будет! Предложения специалистов моделировались теоретически и проверялись на точной копия HP3 в Германии.

  Команда Тильмана Шпон заключила, что не стоит продолжать попытки обрушить стенки скважины, поскольку такие действия занимают очень много времени. Вместо этого они решили «придавить» зонд с помощью роботизированной руки к стенке отверстия, чтобы увеличить сцепление с грунтом.
3 октября, в 302-й день на Марсе, совочек аккуратно прислонили сбоку к верхней части зонда, а 6 октября немного опустили, создав боковое усилие. В 308-й сол (9 октября) попробовали включить ударный механизм – и зонд немножечко пошел вниз. 12 октября совочек опустили еще и сделали вторую попытку – и «крот» действительно стал заглубляться, медленно закручиваясь против часовой стрелки. Суммарно он ушел вниз на три сантиметра, и лишь два остались над поверхностью.
Если «крот» продолжит движение, полностью уйдя в грунт, он может добраться до заветной глубины всего за четыре часа, и энергии на это достаточно. InSight работает на солнечных батареях и рассчитан на 2 земных года работы.

Виктория Колесниченко

1. http://astronomy.com/news/2019/03/the-mars-insight-lander-is-stuck-nasas-hacking-a-fix-with-earthly-...
2. http://astronomy.com/magazine/2019/09/digging-deep-into-mars
3. https://astronomynow.com/2019/04/13/curiosity-drills-into-clay-unit-insight-mole-tests-continue/
4. https://www.space.com/mars-missions-all-shut-down-sun-conjunction-2019.html
5. https://www.space.com/mars-missions-all-shut-down-sun-conjunction-2019.html
6. https://twitter.com/intent/follow?source=followbutton&variant=1.0&screen_name=NASAInSight
7. https://nplus1.ru/news/2019/06/06/HP3-maybe-work
8. https://nplus1.ru/news/2019/07/03/seven-circles-of-heaven-on-mars
9. https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7346
10. https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/mars-insight-drill-hits-snag/
11. http://astronomy.com/magazine/2019/09/digging-deep-into-mars
12. https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/nasas-strategy-mars-insight-back-drilling/
13. http://unmannedspaceflight.com/
14. http://astronomy.com/news/2019/03/the-mars-insight-lander-is-stuck-nasas-hacking-a-fix-with-earthly-...
15. http://astronomy.com/news/2019/06/engineers-craft-new-plan-to-un-stick-nasas-mars-insight-lander
16. https://mars.nasa.gov/news/8455/nasas-insight-uncovers-the-mole/?site=insight
17. https://mars.nasa.gov/news/8506/whats-mars-solar-conjunction-and-why-does-it-matter/?site=insight
18. https://spacenews.com/nasa-tries-new-approach-to-fix-mars-insight-instrument/
19. http://www.leonarddavid.com/mars-insight-mole-madness/
20. https://spacenews.com/troubleshooting-of-mars-insight-instrument-continues/
21. https://spacenews.com/engineers-still-studying-problem-with-insight-heat-flow-probe/
22. https://spaceflightnow.com/2019/07/02/mars-landers-ground-team-begins-inspection-of-stuck-instrument...
23. https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/nasas-strategy-mars-insight-back-drilling/
24. https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/mars-insight-drill-hits-snag/
25. https://spacenews.com/insight-mission-seeking-new-ways-to-fix-heat-flow-probe/
26. https://www.dlr.de/blogs/en/all-blog-posts/The-InSight-mission-logbook.aspx
27. Spohn, T., Grott, M., Smrekar, S.E. et al. Space Sci Rev (2018) 214: 96. https://doi.org/10.1007/s11214-018-0531-4

Поделиться в соц. сетях
0