Mars Exploration Rover

La Mars Exploration Rover è stata una missione di esplorazione di Marte, dove sono stati impiegati due rover identici chiamati Spirit e Opportunity. Il lancio è avvenuto nel 2003 e i rover sono giunti su Marte nel gennaio del 2004, in due diversi punti del pianeta. Entrambi hanno superato di gran lunga la loro operatività prevista di 90 sol: Spirit è rimasto operativo fino al 22 marzo 2010, mentre Opportunity fino al 10 giugno 2018.

Sviluppo Il costo totale della missione, per i primi 90 sol della missione primaria, è stato di 820 milioni di dollari. Entrambi i rover hanno esteso la missione per cinque volte, continuando ad operare fino alla fine del 2009, quando è stata dichiarata la fine della missione.

Il primo maggio 2009, il rover Spirit è rimasto bloccato in una zona di terreno sabbioso. Dopo nove mesi di tentativi per muovere il rover, il 26 gennaio 2010 la NASA ha annunciato che la missione di Spirit era stata modificata e il rover sarebbe diventato una piattaforma scientifica stazionaria. Il 22 marzo sono stati persi i contatti e i tentativi di ristabilirlo sono proseguiti fino al 25 maggio 2011, data in cui la missione del rover Spirit è stata dichiarata conclusa.

Dal 24 gennaio 2014 la NASA ha annunciato che la missione del rover Opportunity, che era ancora operativo, e il più recente rover Curiosity sarebbe diventata la ricerca di evidenze di vita nel passato del pianeta, tra cui una biosfera formata da microrganismi autotrofi, chemiotrofi e/o chemiolitotrofi, e alla presenza di acqua, tra cui regioni che ospitavano antichi fiumi o laghi.

Il rover Opportunity ha continuato l'esplorazione all'interno del cratere Endeavour.

Obiettivi Gli obiettivi scientifici della missione erano la ricerca e la caratterizzazione del terreno e delle rocce che potessero contenere indizi sulla passata presenza d'acqua su Marte. La missione faceva parte del programma Mars Exploration Program della NASA, che comprendeva i lander del Programma Viking nel 1976 e il rover Mars Pathfinder del 1997. Tra gli altri obiettivi della missione:

determinare la distribuzione e la composizione di minerali, rocce e del terreno nei pressi del sito di atterraggio determinare i processi geologici marziani che hanno modificato il terreno e influenzato la sua chimica. Tali processi includono l'erosione idrica o del vento, la sedimentazione, meccanismi idrotermici, vulcanismo e la craterizzazione. validare le osservazioni della superficie da parte della strumentazione del Mars Reconnaissance Orbiter, per valutare l'accuratezza e l'efficacia dei suoi strumenti. ricercare minerali contenenti ferro, e identificare e quantificare i minerali che possono esser formati con l'acqua caratterizzare la mineralogia delle rocce e dei terreni e determinare i processi della loro creazione ricercare indizi geologici relativi alle condizioni ambientali presenti quando nel passato era presente acqua allo stato liquido valutare se tali condizioni ambientali erano favorevoli alla vita

Caratteristiche tecniche Ogni sonda era costituita da diversi componenti: Rover: () Lander: () Backshell / Paracadute: () Scudo termico: () Stadio di trasferimento: () Propellente: () Strumentazione: ()

La massa totale di ogni sonda era di .

Stadio di trasferimento

Lo stadio di trasferimento era il componente della sonda impiegato per raggiungere Marte. Era molto simile a quello del Mars Pathfinder, con un diametro di e una altezza di , conteneva il veicolo per l'ingresso atmosferico.

La struttura primaria era in alluminio con un anello esterno coperto da pannelli solari, di circa di diametro. I pannelli solari erano divisi in cinque sezioni e fornivano una potenza di circa nei pressi della Terra e su Marte.

Il riscaldamento della sonda e il suo isolamento termico multistrato mantenevano l'elettronica alla giusta temperatura. Un sistema con gas freon trasferiva il calore in eccesso dal computer di volo e dall'hardware del sistema di comunicazione per evitare il surriscaldamento. Il computer di volo era interfacciato con i sistemi avionici dello stadio, come il sensore solare, il sensore stellare e il sistema di controllo della temperatura.

Navigazione Il sensore stellare (star scanner) e il sensore solare permettevano alla navetta di conoscere il proprio orientamento nello spazio, ottenuto analizzando la posizione del Sole e delle altre stelle. Poiché era possibile che, nonostante i sistemi di navigazione, la navetta si trovasse leggermente fuori rotta, erano stati pianificati controlli e correzioni manuali.

Queste correzioni erano permesse da propulsori di manovra alimentati ad idrazina, contenuta in due serbatoi di alluminio. I tecnici potevano quindi comandare l'accensione dei propulsori per effettuare tre tipi di manovre: in direzione dell'asse per variare la velocità della sonda in direzione laterale usando due gruppi di propulsori (quattro propulsori per gruppo) con impulsi da due propulsori accoppiati

Comunicazioni Le comunicazioni con il controllo missione avvenivano in banda X, che richiede minore potenza e una antenna più piccola rispetto alle navette precedenti, che comunicavano in banda S.

I comandi da Terra giungevano attraverso due antenne nella fase di trasferimento verso Marte: una antenna a basso guadagno omnidirezionale inserita nell'anello interno e impiegata quando la sonda si trovata vicino alla Terra, e una a medio guadagno situata nell'anello esterno.

Durante il viaggio, la sonda era stabilizzata con l'uso di giroscopi con una rotazione di 2 rivoluzioni per minuto. Il controllo di assetto manteneva l'antenna a medio guadagno puntata in direzione della Terra e i pannelli solari orientati verso il sole.

Aeroshell

Assieme al lander e al rover, laeroshell costituiva il veicolo di ingresso atmosferico. Lo scopo principale era di proteggere il lander e il rover al suo interno dall'intenso calore generato nella fase di ingresso. Era progettato in modo simile a quelli impiegati per il Mars Pathfinder e per le sonde Viking.

L'aeroshell era costituito da due componenti: uno scudo termico e una backshell. Lo scudo termico era piatto, di colore marroncino e proteggeva il lander e il rover durante l'ingresso nell'atmosfera marziana, oltre a fungere da aerofreno. La backshell era più grande, a forma di cono e dipinta di bianco. Conteneva vari componenti, tra cui: un paracadute (nella parte inferiore della backshell) i componenti elettronici e le batterie che attivavano i dispositivi pirotecnici come i bulloni e i razzi una piattaforma di misurazione inerziale che monitorava e forniva dati alla backshell sulla posizione e orientamento del velivolo tre motori a propellente solido chiamati RAD (Rocked Assisted Descent - Discesa assistita da razzi), in grado di generare di spinta ciascuno per 60 secondi. tre motori a propellente solido più piccoli chiamati TIRS, e orientati orizzontalmente rispetto alla backshell con lo scopo di stabilizzarla durante l'accensione dei propulsori RAD.

Costruita dalla Lockheed Martin, l'aeroshell aveva una struttura a nido d'ape di alluminio inserita tra due fogli di resina epossidica e grafite (pannello a sandwich). La parte esterna era formata da uno strato di fenoli a nido d'ape e riempito con un materiale ablativo che proteggeva dal calore le parti interne. Il materiale ablativo era una mescola di sughero, un agente legante e piccole sfere di silice, inventato per gli scudi termici delle missioni Viking. Una tecnologia simile è stata impiegata anche nei programmi Mercury, Gemini e Apollo. Il materiale era stato formulato specificamente per reagire chimicamente con l'atmosfera marziana. Lo stesso materiale ablativo era utilizzato anche nello scudo termico, ma in uno strato più spesso, di . Invece di essere verniciato, la backshell era ricoperta di una pellicola in PET per essere protetta dal freddo dello spazio. Questa pellicola poi veniva vaporizzata dal calore dell'ingresso atmosferico.

Paracadute Il paracadute permetteva la riduzione della velocità della sonda nella fase di discesa, ed era contenuto nella backshell.

Anch'esso derivato dalle esperienze delle missioni precedenti era il 40% più grande di quello impiegato con il Pathfinder. Il carico (la forza che viene esercitata sul paracadute quando è gonfiato) era stimato a circa 80-85 kN.

Il paracadute, costruito dalla Pioneer Aerospace era fatto di poliestere e nylon, due tessuti resistenti e leggeri, ed era connesso alla backshell con triple briglie in kevlar. A causa dello spazio ristretto, il paracadute era stato compresso e impacchettato nel suo alloggio. Inoltre, prima di essere stato posizionato nella backshell, era stato sterilizzato.

Dopo il dispiegamento del paracadute ad una altezza di , il sistema sganciava lo scudo termico e separava la backshell dal lander, che restava "appeso" ad essa tramite cavi metallici.

Airbag

Gli airbag erano organizzati in quattro gruppi da sei balloni, fatti in vectran, lo stesso materiale impiegato nella missione Mars Pathfinder. Il loro scopo era di proteggere il lander e il rover dall'impatto con il suolo marziano nella fase di atterraggio, ed erano progettati per sostenere impatti a velocità fino a 100 km/h.

Dopo il gonfiaggio degli airbag, la backshell attivava i sistema di razzi, che rallentava ulteriormente la discesa della sonda fino ad azzerarne la velocità ad una altezza di 10–15 m dal suolo. L'altezza era misurata con un radioaltimetro. Giunta all'altezza corretta il lander e il rover al suo interno, venivano sganciati sulla superficie.

Lander

Il lander era un guscio protettivo che ospitava il rover e lo proteggeva, assieme agli airbag, dall'impatto con il suolo. Di forma tetraedrica, era progettato per aprirsi dopo lo sgonfiaggio automatico degli airbag. Il rover era assicurato al lander tramite bulloni esplosivi.

Una volta che il lander e il rover al suo interno avevano terminato di rimbalzare e rotolare sulla superficie marziana, gli airbag venivano lentamente sgonfiati. Il lander era a conoscenza dell'orientamento in cui si trovava rispetto al suolo tramite degli accelerometri e in base ad esso apriva un lato del tetraedro in modo da essere orientarsi correttamente. Successivamente venivano aperti tutti gli altri lati.

Dopo l'apertura completa del lander, un meccanismo trascinava lentamente gli airbag sotto al lander, in modo da non creare intralcio all'uscita del rover. La fase di apertura del lander e retrazione degli airbag durava tre ore.

Rover

I rover Spirit e Opportunity erano gemelli, con sei ruote e alimentati con pannelli solari. La loro altezza era di , larghi e lunghi , e pesavano . Ogni ruota possedeva un motore, e il sistema di sospensioni rocker-bogie permetteva di migliorare la mobilità e superare incliunazioni fino a 30 gradi. La coppia di ruote anteriori e posteriori potevano sterzare. La velocità massima era di 5 cm/s, anche se in media i rover si muovevano ad un sesto di tale velocità.

I pannelli solari erano in grado di generare circa durante le 14 ore di insolazione del giorno marziano (sol), e le batterie ricaricabili agli ioni di litio fornivano l'energia durante la notte.

Il computer di bordo utilizzava una CPU IBM RAD6000 con clock di , di DRAM, di memoria EEPROM e di memoria flash.

La temperatura operativa dei rover era compresa tra e , mantenuta tramite dei riscaldatori a radioisotopi affiancati da riscaldatori elettrici. L'isolamento termico era fornito da una pellicola rivestita d'oro e uno strato di aerogel di silice.

Le comunicazioni avvenivano tramite una antenna omnidirezionale a basso guadagno e va bassa velocità e una antenna ad alto guadagno orientabile. Entrambe le antenne erano in contatto diretto con la Terra, ma l'antenna a bassa guadagno è stata utilizzata per trasmettere i dati alle sonde in orbita.

Strumenti ed esperimenti scientifici Gli strumenti scientifici comprendevano: