Il 2001 Mars Odyssey è una sonda spaziale orbitante intorno al pianeta Marte, sviluppata dalla NASA e costruita da Lockheed Martin sotto la supervisione del Jet Propulsion Laboratory; La missione prevede l'uso di spettrometri e fotocamere termiche per individuare la presenza di acqua liquida o ghiaccio, studiare la geologia del pianeta e analizzare le radiazioni che lo circondano. I dati raccolti aiuteranno a constatare l'effettiva esistenza passata di vita su Marte e a comprendere le radiazioni che i futuri astronauti sperimenteranno sul pianeta rosso. Al 2017 la sonda opera soprattutto come ripetitore per le comunicazioni con i Mars Exploration Rovers, il Mars Science Laboratory ed il precedente lander Phoenix. La missione è stata chiamata in onore di Arthur C. Clarke, evocando il nome di 2001: Odissea nello spazio.
Odyssey venne lanciata il 7 aprile 2001 su un razzo Delta II 7925 dal complesso di lancio 17A della Cape Canaveral Air Force Station e raggiunse l'orbita marziana il 24 ottobre 2001, alle 2:30 UTC.
Il 15 dicembre 2010 superò il record della sonda più anziana operativa su Marte, con 3340 giorni di operatività, superando il titolo fino ad allora detenuto dal Mars Global Surveyor, oltrepassando anche il record per la sonda più longeva operativa su un pianeta diverso dalla Terra, il Pioneer Venus Orbiter, durato 15 anni, 3 mesi e 4 giorni.. Il 7 aprile 2021 la sonda ha raggiunto i vent'anni di operatività dal momento del lancio, e si prevede che abbia combustile sufficiente per operare fino al 2025 ed oltre. A fine 2025 detiene questo titolo di sonda più longeva attorno a un pianeta davanti alla Mars Express dell'ESA, operativa da vent'anni.
Obiettivi scientifici Per determinare l'abitabilità di Marte, obiettivo primario della missione, il 2001 Mars Odyssey ha i seguenti obiettivi scientifici: mappare la composizione chimica della superficie globale (GRS); determinare l'abbondanza di idrogeno nel sottosuolo superficiale (GRS); acquisire immagini spaziali e spettrali sulla mineralogia della superficie (THEMIS); fornire informazioni sulla morfologia della superficie marziana (THEMIS); caratterizzare le radiazioni nell'ambiente spaziale vicino a Marte per determinare i rischi per futuri equipaggi umani (MARIE).
Sviluppo Il 2001 Mars Odyssey era originariamente un componente del programma chiamato Mars Surveyor 2001 Orbiter. Originariamente doveva essere lanciato con un lander chiamato Mars Surveyor 2001 Lander, cancellato nel maggio 2000 a seguito del fallimento del Mars Climate Orbiter e del Mars Polar Lander a fine 1999. La successiva denominazione della sonda come 2001 Mars Odyssey è un tributo alla visione dell'esplorazione spaziale nei lavori di Arthur C. Clarke, specie 2001: Odissea nello spazio.
Il nome Ad agosto 2000 la NASA valutò con una commissione composta da Mark Dahl, Michael Meyer, Steve Saunders e Don Savage il nome da adottare per la sonda. Tra più di 200 proposte, la commissione optò per Astrobiological Reconnaissance and Elemental Surveyor, abbreviato in ARES (un tributo ad Ares, dio Greco della guerra). Ritenuto eccessivamente aggressivo, la commissione optò per 2001 Mars Odyssey, precedentemente scartato per problemi di copyright e trademark, dopo aver mandato una email ad Arthur C. Clarke nello Sri Lanka; l'autore del celeberrimo libro si ritenne onorato dal dare il nome a una sonda spaziale, accettando senza esitazioni. Il 20 settembre 2000 l'amministratore associato della NASA Ed Weiler scrisse all'amministratore associato degli affari pubblici richiedendo un cambio di nome da ARES a 2001 Mars Odyssey, e Peggy Wilhide approvò il cambiamento.
La sonda
La forma del 2001 Mars Odyssey, nonostante non sia ben definibile, può essere messa in un box immaginario dalle dimensioni (2,2 m × 1,7 × 2,6) m; al lancio pesava 725 kg, di cui 331,8 kg componevano la sonda a secco con tutti i suoi sistemi, 348,7 kg il propellente e 44,5 kg gli strumenti scientifici.
La struttura della sonda è costruita prevalentemente in alluminio e titanio. L'uso di quest'ultimo materiale, più leggero ma costoso, permette di conservare massa mantenendo resistenza. La struttura metallica dell'Odyssey è simile a quella usata nella costruzione di velivoli militari ad alte prestazioni.
La maggior parte dei sistemi a bordo è ridondante; ciò significa che in caso di rottura di un dispositivo, c'è un sistema di backup pronto a compensarlo. L'unica eccezione è la memoria che conserva i dati fotografici provenienti dal sistema fotografico a emissione termale.
Gestione di dati e comandi
Tutte le funzioni della sonda vengono gestite dal sottosistema di gestione comandi e dati, il cui cuore è una CPU RAD6000, una versione potenziata contro le radiazioni di un chip PowerPC, all'epoca usato sulla maggior parte dei Macintosh. Con 128 MB di RAM e 3 MB di Flash ROM, che permette al sistema di mantenere dati anche senza corrente, il sottosistema esegue il software di volo di Odyssey e controlla la sonda attraverso le elettroniche di interfaccia, le quali fanno uso di schede per comunicare con le periferiche esterne. Queste schede scivolano negli slot della scheda madre del computer permettendo al sistema di eseguire operazioni specifiche che altrimenti non sarebbero eseguibili. Per ridondanza, ci sono 2 copie identiche delle elettroniche di interfaccia e dei computer, così in caso di rottura dell'unità primaria sarebbe possibile passare a quella di backup.
La comunicazione con i sensori dellOdyssey, che misurano l'orientamento della sonda, o attitudine, e i suoi strumenti scientifici, è eseguita attraverso un'altra scheda d'interfaccia. Una scheda I/O principale raccoglie i segnali da tutta la sonda e ne manda altri verso il sottosistema di alimentazione elettrico. L'interfaccia dei sottosistemi per telecomunicazioni dellOdyssey è gestita attraverso un'altra scheda uplink/downlink.
Ci sono altre 2 schede nel sottosistema di gestione dei comandi e dati, entrambe interamente ridondanti. La scheda di interfaccia del modulo prende il controllo della sonda durante l'eventuale passaggio all'hardware di backup e gestisce l'orario della sonda. Una scheda di conversione trasforma la corrente elettrica del sottosistema di alimentazione nella tensione giusta reindirizzandola verso gli altri componenti del sottosistema di gestione dei comandi e dei dati.
L'ultima scheda di interfaccia è una scheda di memoria di massa singola e non ridondante da 1 GB utilizzata per immagazzinare le immagini.
L'intero sottosistema di gestione dei comandi e dei dati pesa 11,1 kg.
Telecomunicazioni
Il sottosistema di Odyssey per le telecomunicazioni è composto da un sistema radio operante in banda X e un altro operante in UHF, che permettono alla sonda di comunicare con il controllo a terra durante tutte le fasi della missione. In particolare, il sistema a banda X è usato per le comunicazioni tra la Terra e l'orbiter, mentre quello UHF per le comunicazioni tra Odyssey e un lander o rover presente sulla superficie di Marte.
Il sottosistema per le telecomunicazioni pesa 23,9 kg.
Sistema di alimentazione elettrico Tutta la corrente elettrica della sonda viene generata, immagazzinata e distribuita dal sottosistema di alimentazione elettrico, che ottiene la sua potenza da celle fotovoltaiche in arsenuro di gallio. Un'unità di distribuzione e guida elettrica contiene interruttori che inviano adeguatamente la corrente, immagazzinata in una batteria al nichel idrogeno da 16 Ah, nei sistemi della sonda.
Il sottosistema di alimentazione elettrico opera i giunti cardanici sull'antenna ad alto guadagno e i 3 moduli solari e contiene un'unità d'inizializzazione pirotecnica, che attiva valvole e cavi di combustione e apre le valvole dei propulsori.
Il sottosistema di alimentazione elettrico pesa 86 kg.
Guida, navigazione e controllo Usando 3 paia ridondanti di sensori, il sottosistema di guida, navigazione e controllo determina l'orientamento della sonda, o attitudine. Un tracciatore solare viene usato per rilevare la posizione del Sole come backup alla fotocamera stellare, usata per osservare i campi stellari. Tra ciascun aggiornamento di quest'ultima, un'unità di misura inerziale raccoglie informazioni sull'orientamento della sonda.
Questo sistema include anche rotelle a reazione, dispositivi simili a giroscopi usati assieme ai propulsori per controllare l'orientamento della sonda. Come la maggior parte delle sonde, la sua attitudine è mantenuta in relazione allo spazio su 3 assi anziché attraverso la rotazione. Ci sono un totale di 4 rotelle a reazione, con 3 usate per il controllo primario e una di backup.
Il sottosistema di guida, navigazione e controllo pesa 23,4 kg.
Propulsione
Il sottosistema propulsivo è caratterizzato da un set di piccoli propulsori e un motore primario. I propulsori sono necessari per eseguire il controllo di assetto della sonda e le manovre di correzione della traiettoria, mentre il motore principale è usato per posizionare la sonda in orbita attorno a Marte.
Il motore principale, che adotta idrazina come propellente e tetraossido di diazoto come ossidante, produce una spinta minima di 640 N. Ciascuno dei 4 propulsori usati per il controllo di assetto produce una spinta di 0,98 N. Infine, 4 propulsori da 22,6 N vengono usati per il direzionamento della sonda.
In aggiunta a tubature miste, valvole pirotecniche e filtri, il sottosistema propulsivo include anche un serbatoio dell'elio, gas usato per pressurizzare i serbatoi del propellente e dell'ossidante.
Il sottosistema propulsivo pesa 49,7 kg.
Strutture La struttura della sonda è suddivisa in 2 moduli, uno propulsivo, contenente serbatoi, propulsori e tubature, e uno dell'equipaggiamento, che è composto da un ponte dell'equipaggiamento, che supporta i componenti ingegneristici e il MARIE, e un ponte scientifico collegato da sostegni. Nella parte alta del ponte scientifico sono presenti il THEMIS e il GRS con i relativi strumenti secondari e le fotocamere stellari, mentre il ponte inferiore ospita il box delle elettroniche del GRS.
Il sottosistema delle strutture pesa 81,7 kg.
Controllo termico Il sottosistema di controllo termico mantiene le temperature di ciascun componente della sonda entro i limiti, usando un insieme di riscaldatori, radiatori, aperture, coperte e vernici termiche.
Il sottosistema di controllo termico pesa 20,3 kg.
Meccanismi Diversi meccanismi usati a bordo dellOdyssey sono attribuibili alla sua antenna ad alto guadagno, mantenuta da 3 dispositivi di puntamento durante lancio, viaggio e aerobraking. Una volta raggiunta l'orbita scientifica, l'antenna venne dispiegata con una cerniera motorizzata e direzionata attraverso giunti cardanici a 2 assi.
Anche i 3 pannelli solari erano tenuti al lancio da 4 dispositivi di blocco che li rilasciarono poco dopo, e il cui puntamento dipende da giunti cardanici biassiali.
L'ultimo meccanismo è il sistema di dispiegamento del braccio del GRS.
Tutti i meccanismi combinati pesano 24,2 kg.
Software di volo Odyssey riceve i suoi comandi e sequenze dalla Terra e le trasferisce in azioni della sonda attraverso il software di volo, che è capace di eseguire diverse operazioni e comandi immediati contemporaneamente.
Il software responsabile dell'acquisizione dei dati è estremamente flessibile. Ottiene i dati dai dispositivi scientifici e ingegneristici e li inserisce in apposite categorie che i comandi a terra possono facilmente modificare.
Il software di volo è anche responsabile di determinate funzioni autonome, come la protezione dell'attitudine e dei guasti, eseguendo controlli interni molto frequenti per determinare la presenza di un errore. Se il software rileva un problema, eseguirà automaticamente un numero di operazioni prestabilite per risolverlo e inserirà la sonda in modalità di sicurezza in attesa di comandi a terra.
Strumentazione scientifica I tre strumenti principali del 2001 Mars Odyssey sono: