Mars Exploration Rover (MER) — программа НАСА по исследованию планеты Марс с помощью двух однотипных мобильных, передвигающихся по поверхности космических аппаратов — марсоходов. Научный руководитель программы — Стив Скваерс.

В ходе выполнения программы на Марс были успешно доставлены марсоходы второго поколения MER-A Спирит (Spirit) и MER-B Оппортьюнити (Opportunity). Спускаемый аппарат с марсоходом Спирит совершил мягкую посадку на Марс 4 января 2004 в кратер Гусева (координаты места посадки — 14,5718° ю. ш. 175,4785° в. д.). Спускаемый аппарат с марсоходом Оппортьюнити совершил мягкую посадку на Марс 25 января 2004 на Плато Меридиана (координаты места посадки — 1,95° ю. ш. 354,47° в. д.).

При базовом 90-дневном сроке эксплуатации марсоходов Спирит проработал более 6 лет до 2011, а Оппортьюнити в 2012 установил рекорд продолжительности функционирования космического аппарата на поверхности Марса и продолжал работать до июня 2018 года, пока не перестал передавать данные из-за глобальной пылевой бури на Марсе. Миссия марсохода Оппортьюнити завершилась 13 февраля 2019 года.

Названия марсоходов

Названия марсоходам были даны в рамках традиционного конкурса НАСА 9-летней девочкой русского происхождения Софи Коллиз, родившейся в Сибири и удочерённой американской семьёй из Аризоны. Были одобрены названия Spirit («Дух») и Opportunity («Благоприятная возможность»).

Цели миссии Основной задачей миссии было изучение осадочных пород, которые, как предполагалось, должны были образоваться в кратерах (Гусева, Эребус), где когда-то могло находиться озеро, море или целый океан.

Для миссии Mars Exploration Rover были поставлены следующие научные задачи: Поиск и описание разных горных пород и почв, которые свидетельствовали бы о прошлой водной активности планеты. В частности, поиск образцов с содержанием минералов, которые отлагались под воздействием осадков, испарения, осаждения или гидротермальной активности; Определение распространения и состава минералов, горных пород и почв, которые окружают место приземления; Поиск железосодержащих минералов, их обнаружение, а также оценка количественных относительных величин по определённым типам минералов, которые содержат воду или были сформированы в воде, таких как железосодержащие карбонаты; Классификация минералов и геологического ландшафта, а также определение процессов, сформировавших их; Проверка наблюдений за поверхностью, сделанных при помощи инструментов Марсианского разведывательного спутника. Это поможет определить точность и эффективность различных инструментов, которые используются для изучения марсианской геологии с орбиты; Определить какие геологические процессы сформировали рельеф местности, определить химический состав почвы. Эти процессы могут включать в себя водную или ветровую эрозию, отложение осадков, гидротермальные механизмы, вулканизм и образование кратеров; Поиск геологических причин, сформировавших те условия окружающей среды, которые существовали на планете вместе с присутствием жидкой воды. Оценка условий, которые могли бы быть благотворны для зарождения жизни на Марсе.

Конструкция аппаратов

Автоматическая межпланетная станция проекта MER включает в себя спускаемый аппарат и перелётный модуль. Для разных этапов торможения в атмосфере Марса и мягкой посадки спускаемый аппарат содержит теплозащитный экран конической формы, парашютную систему, твердотопливные ракетные двигатели и шаровидные воздушные подушки.

+ Масса основных компонентов АМС Основные составляющие Компонент Масса Дополнение Перелётный модуль 243 кг включая 50 кг топливаСпускаемый аппарат Теплозащитный экран 78 кг Задний экран и парашют 209 кг Посадочная платформа 348 кг Всего 878 кг Марсоход 185 кг Суммарная масса 1063 кг

Марсоход имеет 6 колёс. Источником электроэнергии служат солнечные батареи мощностью до 140 ватт. При массе в 185 кг марсоход оснащён шлифовальным станком, несколькими камерами, микрокамерой (MI) и двумя спектрометрами, смонтированными на манипуляторе.

Поворотный механизм марсохода выполнен на основе сервоприводов. Такие приводы расположены на каждом из передних и задних колёс, средняя пара таких деталей не имеет. Поворот передних и задних колёс марсохода осуществляется при помощи электромоторов, действующих независимо от моторов, обеспечивающих перемещение аппарата.

Когда марсоходу необходимо повернуть, двигатели включаются и поворачивают колёса на нужный угол. Всё остальное время двигатели, наоборот, препятствуют повороту, чтобы аппарат не сбивался с курса из-за хаотичного движения колёс. Переключение режимов поворот-тормоз производится с помощью реле.

Также марсоход способен копать грунт (траншею), вращая одно из передних колёс, сам оставаясь при этом неподвижным.

. Рабочая температура робота - от минус 40 до плюс 40 °C. Для работы при низких температурах используется радиоизотопный нагреватель, который может дополняться также электрическими нагревателями, когда это необходимо. Для теплоизоляции применяется аэрогель и золотая фольга.

Инструменты ровера: Панорамные камеры (Pancam) — помогают изучить структуру, цвет, минералогию местного ландшафта; Навигационные камеры (Navcam) — монохромная, с большим углом обзора, также камеры с более низким разрешением для навигации и вождения; Миниатюрный тепловой эмиссионный спектрометр (Mini-TES) — изучает скалы и почвы для более подробного анализа, также определяет процессы, которые сформировали их; Камеры избегания опасности (Hazcam) — две чёрно-белые камеры с 120-градусным полем зрения, предоставляющие дополнительные данные о состоянии ровера.

Манипулятор ровера содержит следующие инструменты:

Миниатюризованный мёссбауэровский спектрометр (MIMOS II) — проводит исследования минералогии железосодержащих пород и почв; Рентгеновский спектрометр альфа-частиц (APXS) — анализ химического состава скал и почв, альфа-излучатель изготовлен в российском научно-исследовательском институте атомных реакторов (НИИАР); Магниты — сбор магнитных частиц пыли; Микрокамера (MI) — получает увеличенные изображения марсианской поверхности в высоком разрешении, своеобразный микроскоп; Инструмент истирания камней (RAT) — мощный шлифовальный станок, способный создавать углубление диаметром 45 мм и глубиной 5 мм на скальной поверхности. Инструмент расположен на манипуляторе ровера и весит 687 граммов.

Разрешение камер - 1024x1024 пикселей. Полученные данные сохраняются со сжатием ICER для последующей передачи.

Батареи и обогреватели Обогреватели, аккумуляторы и другие компоненты не способны выжить в холодные марсианские ночи, поэтому они находятся в «тепловом блоке с электроникой». Ночная температура может упасть до −105 °C. Температура аккумуляторов должна быть выше −20 °C, когда они питают системы марсохода, и выше 0 °C - при их подзарядке. Обогрев «теплового блока с электроникой» происходит за счёт электрических и восьми радиоизотопных обогревателей, а также за счёт выделяемого тепла от электроники.

Каждый радиоизотопный обогреватель производит около одного ватта тепла и содержит около 2,7 г диоксида плутония в гранулах, по форме и размеру напоминающих ластик на кончике простого карандаша. Каждая гранула заключена в металлическую оболочку из платинородиевого сплава и окружена несколькими слоями углеродно-графитовых композитных материалов, что делает весь блок по размеру и форме напоминающим батарейку формата C. Эта конструкция из нескольких защитных слоёв была протестирована, причём диоксид плутония находится внутри обогревательных элементов, что значительно снижает риск загрязнения планеты при аварии марсохода при посадке. Другие космические аппараты, в том числе Марс Пасфайндер и марсоход Соджорнер, использовали только радиоизотопные обогреватели, чтобы содержать электронику в оптимальной температуре.

Особенности конструкции

Все системы марсохода зависят от мощного компьютера, который защищён от воздействий низких температур. В центре ровера находится важный «тепловой блок с электроникой» (, «WEB»), который отвечает за передвижение Оппортьюнити, а также за развёртывание манипулятора. Бортовой компьютер - примерно такой же мощности, как хороший ноутбук (на 2003 год). Памяти примерно в 1000 раз больше, чем у его предшественника — марсохода Соджорнер.

Бортовой компьютер Оппортьюнити построен на 32-битном радиационно-стойком процессоре «RAD6000», работающем на частоте 20 МГц. Содержит 128 мегабайт оперативной памяти, а также 256 мегабайт флэш-памяти.

Важные системы марсохода установлены в модуле под названием «Электроника марсохода», который закреплён в «тепловом блоке с электроникой». Этот модуль расположен точно в центре марсохода. Золотое покрытие на стенках блоков помогает задерживать выделенное тепло от обогревателей, ведь ночные температуры на Марсе могут упасть до −96 градусов по Цельсию. Термоизоляцией служит слой из аэрогеля. Аэрогель — уникальный материал, обладающий рекордно низкой плотностью и рядом уникальных свойств: твёрдостью, прозрачностью, жаропрочностью, чрезвычайно низкой теплопроводностью и т. д. В воздушной среде при нормальных условиях плотность такой металлической микрорешётки равна 1,9 кг/м³ за счёт внутрирешёточного воздуха, его плотность всего в 1,5 раза больше плотности воздуха, из-за чего аэрогель получил название «твёрдый дым».

Инерциальное измерительное устройство оценивает наклон марсохода и помогает делать точные движения.

Главный компьютер также проводит регулярное техническое обслуживание марсохода. Его программное обеспечение обеспечивает правильное функционирование всех систем.

Выработка энергии

Как и в миссии Mars Pathfinder, электроэнергию, необходимую для питания систем марсоходов, вырабатывают панели солнечных батарей. Панели солнечных батарей расположились на «крыльях» марсоходов и состоят из отдельных ячеек, что значительно повышает надёжность миссии. Разрабатывались специально для «Спирита» и «Оппортьюнити» для достижения максимальной площади сбора света, насколько это было возможным (см. снимок слева).

Ещё одним новшеством для марсоходов является добавление тройного слоя из арсенида галлия. Это первое в истории исследования Марса использование трёхслойных солнечных батарей. Ячейки батарей способны поглотить больше солнечного света, чем их устаревшая версия, установленная на марсоходе Соджорнер, работавшем в 1997 году. Солнечные элементы находятся в трёх слоях солнечных батарей марсохода, и поэтому способны поглотить больше солнечного света, а вследствие этого могут вырабатывать больше электроэнергии для подзарядки литий-ионных аккумуляторов роверов.

В миссии Mars Pathfinder марсоход Соджорнер использовал один литиевый аккумулятор ёмкостью 40 А·ч. В миссии Mars Exploration Rovers марсоходы используют два литий-ионных аккумулятора ёмкостью 8 А·ч каждый. Во время нахождения «Оппортьюнити» на Марсе максимальный показатель выработки энергии солнечными панелями был близок к 900 Вт·час за 1 марсианский день, или сол. В среднем солнечные батареи Спирита и «Оппортьюнити» производили 410 Вт·час/сол (из-за постепенного скопления на них марсианской пыли).

Осуществление связи Связь с орбитальными аппаратами

Марсоходы миссии Mars Exploration Rovers в качестве ретранслятора используют орбитальный аппарат Марс Одиссей, который постоянно вращается вокруг «красной планеты».

В течение 16 минут он находится в зоне «общения» с ровером, после чего скрывается за горизонтом. «Оппортьюнити» может «общаться» с орбитальным аппаратом в течение 10 минут, в этот период он принимает данные от марсохода.