Lądowanie łazika Perseverance na Marsie w teorii i w praktyce - jak, gdzie, kiedy?

Do Marsa dotarły w lutym 2021 już dwa pojazdy z Ziemi. Arabski orbiter Hope oraz chiński Tianwen-1. Ten drugi to w praktyce lądownik z łazikiem i orbiter. Jednak ten lądownik dopiero w maju podejmie próbę lądowania, do tego czasu pozostając na orbicie. Znacznie wcześniej, bo już 18 lutego podobną próbę podejmie łazik Perseverance, który w ramach misji Mars 2020 również melduje się na orbicie Czerwonej Planety.

W przypadku Marsa mówimy, że próbujemy na nim wylądować, a nie lądujemy, bo to nie takie łatwe zadanie i za każdym razem ryzyko jest ogromne

Nawet NASA, która notuje największe sukcesy w eksploracji Marsa, zdołała zakończyć sukcesem tylko połowę swoich misji powierzchniowych. Stąd też wspomniane 7 minut grozy, czyli czas jaki upływa od momentu wejścia w atmosferę do osiągnięcia powierzchni.

Osłona termiczna (w tle) i tylna osłona ochronna dla misji Mars 2020

W trakcie lądowania łazik będzie wysyłał dane do sondy Mars Recoinassance Orbiter, która będzie je przekazywać na Ziemię w trwających 5 sekund pakietach wysyłanych z opóźnieniem 16 sekund. W razie problemów z komunikacją na tym etapie, łazik będzie w stanie ponownie przesłać dane już po lądowaniu. Dodatkowo Perseverance z pomocą radiowego pasma X i UHF prześle bezpośrednio na Ziemię krótkie kontrolne sygnały, informujące o statusie zakończenia danego etapu lądowania. Pierwszy sygnał wysłany będzie na około minutę przed osiągnięciem powierzchni Marsa.

Główny wkład w powstanie Perseverance ma NASA, ale w konstruowanie aparatury badawczej łazika zaangazowane były też kraje europejskie - Włochy, Norwegia, Hiszpania i Franca

Mars ma co prawda znacznie rzadszą atmosferę niż Ziemia, ale na tyle gęstą, by rozgrzać ochronną tarczę lądownika do 1300 stopni Celsjusza w trakcie lądowania. Osłona termiczna po przedarciu się przez górne warstwy atmosfery jest odrzucana, a potem pojazdy podejmują próbę lądowania na powierzchni. Wciąż poruszają się z dużą prędkością, którą trzeba wytracić. Jest na to kilka sposobów. Łazik Perseverance wykorzysta najpewniejszy z nich.

Lądowanie na żywo? Nie do końca, bo w praktyce będą to wiadomości z przeszłości

Ze względu na opóźnienie w komunikacji radiowej Ziemia-Mars, wszystkie komunikaty o postępie lądowania łazika Perseverance dotrą na Ziemię 11 minut po fakcie. A zatem dla nas wszystko rozpocznie się na dobre dopiero wtedy, gdy na Marsie będzie już po lądowaniu. Oby pomyślnym.

Zdalne sterowanie pojazdem na Marsie w czasach epidemii nabiera dodatkowego znaczenia

4 sprawdzone sposoby lądowania na powierzchni Marsa

Mówiąc o kilku sposobach lądowania, mamy na myśli przede wszystkim sposób na pokonanie ostatniego etapu lądowania, czyli bezpieczne przyziemienie przez łazik, lądownik czy jakikolwiek inny pojazd. Na przestrzeni lat wykorzystywano cztery metody.

• Lądowanie z wykorzystaniem spadochronów, silników hamujących i poduszki powietrznej amortyzującej upadek
• Lądowanie z wykorzystaniem spadochronów i rakietowych silników hamujących
• Lądowanie z wykorzystaniem spadochronów, rakietowych silników hamujących i/lub kokonu z nadmuchanych balonów otaczających pojazd
• Lądowanie z wykorzystaniem spadochronu, modułu rakietowego i dźwigu opuszczającego pojazd

Pierwszą metodę próbował opanować Związek Radziecki w latach 70. XX wieku. Z drugiej metody korzystały między innymi lądowniki Viking w tym samym czasie, do dziś stosuje się ją w przypadku lądowników. Trzecią technikę zastosowano w latach 90. w przypadku Pathfindera, a powtórzono w przypadku łazików Spirit i Opportunity. Z kolei Perseverance, który waży 1025 kilogramów (na Marsie 393 kilogramy), podobnie jak Curiosity, jest już za ciężki na ten sposób amortyzacji upadku na powierzchnię.

Spadochron, który zastosowano w Perseverance. Ten element stosowany jest od zawsze na etapie hamowania pojazdu w atmosferze

Dlatego opracowano moduł rakietowy, który pozwala na kontrolowanie z dużą precyzją prędkości i kierunku opadania tuż przed dotknięciem powierzchni Marsa. Łazik na ostatnim etapie (około 20 metrów nad powierzchnią) jest opuszczany dodatkowo na linie o długości około 6,5 metra. Z tej techniki lądowania korzysta Perseverance, a moduł odlatuje na bezpieczną odległość, by opaść na powierzchnię bez ryzyka uszkodzenia łazika.

Moduł rakietowy uruchomiony zostanie około dwóch kilometrów nad powierzchnią Marsa. Po wypuszczeniu łazika odleci na bezpieczną odległość

Ze względu na etapowość lądowania pojazdów na Marsie, ślady po tej części podróży można znaleźć w różnych miejscach na powierzchni. Są to odrzucone spadochrony, osłona termiczna, osłona zewnętrzna i w końcu moduł rakietowy o ile taki został zastosowany. Wszystkie te elementy są odrzucane na bezpieczną odległość, tak by nie uszkodziły łazika (lub innego pojazdu).

Zderzenie czołowe - był taki pomysł, ale nie udało się go doprowadzić udanie do końca

Amerykanie (misja Mars Polar Lander) jak i Rosjanie (misja Mars 96) mieli kiedyś jeszcze jeden pomysł na dostarczenie obiektów na powierzchnię Czerwonej Planety. Co prawda nie takich pojazdów jak łaziki czy duże lądowniki, a niewielkie próbniki, ale można tę technikę byłoby potraktować jako kolejną metodę lądowania.

Metodę twardą, bo byłoby to w zasadzie zderzenie czołowe z prędkością nawet większą niż rekord prędkości pociągu na Ziemi (ponad 600 km/h). Taki lądownik miałby osłonę termiczną, która pełniłaby rolę amortyzatora w momencie uderzenia rozbijając się, a samo urządzenie wbiłoby się na co najmniej kilkadziesiąt cm w powierzchnię Marsa.

Obie wyposażone w takie urządzenia misje nie dotarły do powierzchni Marsa, rosyjska sonda nawet nie opuściła orbity Ziemi, dlatego o skuteczności takiego gwałtownego hamowania na Marsie możemy jedynie deliberować.

Symulacja lądowania Perseverance, czyli jak to powinno wyglądać

Jeden obraz zastąpi 1000 słów, a interaktywny model-animacja 1000 obrazów. Dlatego zachęcam do skorzystania z takiej demonstracji lądowania Perseverance na Marsie.

Przyciskami RATE możecie zwiększać tempo odtwarzania symulacji, a przycisk Scroll for next phase przeniesie nas do kolejnego kluczowego momentu lądowania. W przestrzeni nawigujemy kursorem myszy.

Gdzie wyląduje Perseverance i z jaką dokładnością osiągnie swój cel?

Miejsce lądowania, czyli krater Jezero na Marsie o średnicy około 45 km, w odległości 3700 km od miejsca lądowania Curiosity, znane jest już od dawna. To znajdujący się niedaleko równika Marsa, na jego północnej półkuli, w rejonie Isidis Planitia, krater uderzeniowy, który kiedyś był prawdopodobnie wypełniony wodą jak jezioro (stąd swojsko brzmiąca nazwa).

Krater Jezero to miejsce gdzie są duże szanse na znalezienie śladów życia ówczesnego, a może i obecnego. Poniższe zdjęcie starożytnej delty dowodzi, że są ku temu konkretne podstawy.

Perseverance w atmosferę Marsa wejdzie z prędkością około 20 tysięcy kilometrów na godzinę, hamowanie z pomocą osłony termicznej zmniejszy prędkość około 1600 km na godzinę, a po otwarciu spadochronów zmniejszy się ona jeszcze dwukrotnie. Tuż przed osiągnięciem powierzchni Marsa, łazik będzie poruszał się z prędkością niespełna 3 kilometrów na godzinę.

Krater Jezero to najtrudniejsza lokalizacja do lądowania, pod względem ukształtowania terenu, z jaką kiedykolwiek do czynienia miało NASA

Tak jak w przypadku innych lądowników zakłada się elipsę lądowania czyli obszar, w którym pojazd powinien osiąść na powierzchni Marsa. Dla Perseverance będzie ona miała wymiary 7,7 x 6,6 km. W trakcie lądowania komputery pojazdu będą podejmowały decyzję co do odpowiedniego ciągu każdego z silników hamujących, by ewentualnie skorygować błędy w torze lotu.

By dostrzec jak dużą precyzją lądowania wykaże się Perseverance wystarczy porównać wymiary jego elipsy lądowania z wymiarami dla kilku poprzednich misji NASA.

• InSight / 130 x 27 km
• Curiosity / 25 x 20 km
• Pathfinder / 200 x 70 km

Autonomiczne sterowanie na ostatnich etapach lądowania - klucz do sukcesu

Tak silne zawężenie pola lądowania w stosunku do łazika Curiosity możliwe jest dzięki zastosowaniu autonomicznego systemu sterowania spadochronami (Range Trigger). Podejmie on samodzielnie decyzję o ich otwarciu na podstawie porównania aktualnej pozycji lądującego łazika i jego odległości od powierzchni, z wartościami spodziewanymi.

Dane zebrane podczas lądowania Perseverance mają wspomóc projekty załogowych misji na Marsa

Gdy łazik z modułem rakietowym zostanie naprowadzony na cel, aktywuje się system nawigacji lotu bazujący na fotografiach otoczenia. Będzie on porównywał wykonywane na bieżąco zdjęcia powierzchni z przechowywanymi w pamięci łazika obrazami wcześniej wykonanymi przez orbitery. Jeśli okaże się, że łazik zmierza w kierunku niezbyt przyjaznego otoczenia, silniki sterujące skorygują tor lotu tak, by lądowanie odbyło się w bezpiecznym otoczeniu. W ten sposób łazik będzie w stanie uniknąć przeszkód o rozmiarach do 335 metrów.

Poszczególne elementy pojazdu, który dotarł na Marsa i lokalizacja kamer i mikrofonów, które pomogą udokumentować lądowanie

Wspomniana autonomia procedury lądowania, to jedna z kilku rzeczy, których wcześniej żaden łazik nie próbował na Marsie. Pozostałe to między innymi zbieranie próbek dla przyszłych misji, produkcja tlenu oraz nagrywanie dźwięków otoczenia i pracy łazika.

Być może uda się też zarejestrować filmy z tego pierwszego etapu misji dzięki kamerom umieszczonym w tylnej osłonie i module rakietowym. Będą one w stanie filmować spadochrony oraz zbliżającą się powierzchnię planety.

A po lądowaniu? Przyjdzie pora na obfotografowanie się i aktualizację oprogramowania

Łazik Perseverance od razu po wylądowaniu przełączy się w tryb pracy naziemnej, ale jeszcze przez miesiąc będzie przygotowywał się do pracy. Czynności na tym etapie misji obejmują bliską nam kategorię działań. Łazik rozciągnie się, czyli rozłoży maszt z kamerami, ramię robotyczne, uruchomi antenę komunikacyjną wysokiej mocy. Wykona też zdjęcia otoczenia i samego siebie oraz kół. Pierwsze zdjęcia będą zrobione z założonymi osłonami antypyłowymi, kolejne już po ich zdjęciu.

Helikopter Ingenuity zainstalowany pod brzuszkiem łazika. Na zdjęciu wykonanym w laboratorium jeszcze nie zabezpieczony na czas lądowania

Przeprowadzona zostanie diagnostyka instrumentów ich kalibracja oraz aktualizacja oprogramowania.

Przed rozpoczęciem pracy na Marsie odrzucone będą też dodatkowe osłony chroniące instrument do pobierania próbek z powierzchni. Jednak dopiero co najmniej po miesiącu usunięta zostanie ochronna tarcza helikoptera Ingenuity. Wtedy też łazik odbędzie przejażdżkę do miejsca lotów, które będą jednym w pierwszych wielkich zadań misji Mars 2020.

Perseverance ma zbadać większą przestrzeń niż jakikolwiek inny łazik

Dotychczasowy rekord przejechanego w ciągu marsjańskiego dnia dystansu wynosi 214 metrów i ustanowił go łazik Opportunity w 2005 roku. To był wyjątkowy moment, średnio pokonywane dystanse były znacznie krótsze. Tymczasem dla Perseverance pokonywanie 200 metrów dziennie ma być rutyną. A pisanie przestrzeń zamiast powierzchnię ma sens, gdyż za sprawą helikoptera po raz pierwszy eksploracja będzie prowadzona w trzech wymiarach.

W tym celu oprogramowanie łazika wyposażone będzie poprzez wspomnianą aktualizację w zestaw algorytmów automatyzujących i autonomizujących poruszanie się po powierzchni Marsa. Do analizy danych wykorzystana będzie ta sama elektronika, co podczas lądowania. Jej sercem jest układ FPGA klasy Virtex-5 (architektura PowerPC).

Natomiast mózgiem misji jest komputer bazujący na wypróbowanym już procesorze RAD750 (architektura PowerPC), który zabezpieczono przed promieniowaniem. W odwodzie będzie czekał drugi układ, uruchamiany w przypadku problemów z pierwszym. Ta nadmiarowość uratowała Curiosity przed odejściem na wcześniejszą emeryturę już w lutym 2013 roku. Curiosity jest już mocno doświadczonym łazikiem. Jego koła są mocno zużyte, wietrło uszkodziło się w 2016 roku, a w 2019 roku dokonano pełnego resetu komputerów. 

Źródło: NASA, inf. własna

Czytaj więcej na temat Marsa:

• Ponad 3000 dni na Marsie - do czego przywiodła nas ciekawość (Curiosity)
• Marsjanie niedawno świętowali Sylwestra - dla nich rozpoczął się rok 36
• Październik to najlepsza okazja by zobaczyć Marsa w 2020, ale kiedy w końcu poleci tam człowiek?