Future  lander  observa/on  by  Japanese  Mars  EDL  mission	
N.	  Otobe	  (Fukuoka	  Univ.)	  G.	  L.	  Hashimoto	  (Okayama	  Univ.)	  H.	  Senshu(PERC	  /	  Chiba	  Inst.	  of	  Tech.)	

Meteorological  Interest  on  Mar/an  Surface	• Source	  of	  Physical	  components	  • 	  	  (Dust,	  Water	  Vapor,..)	  • Boundary	  Layer	  • 	  (	  Source	  /	  Sink	  of	  Momentum)	  • Transport	  Physical	  Components	  • Others	  • in-­‐situ	  (e.g.	  Heat	  InerPa,	  Roughness,	  …	  )	  	Meteorological	  ObservaPon:	
1. Environmental	  Monitor	  and	  meteorological	  observaPon	  (10	  minutes	  mean)	  1. Temperature	  	  2. Wind	  Velocity,	  Wind	  DirecPon	  3. Pressure	  4. Short	  /	  Long	  wave	  radiaPon	  5. Thermal	  InerPa	  of	  soil	  	  (1	  hour	  mean	  of	  surface	  temperature)	  	  2. Dust	  devil	  Structure	  1. Pressure	  drop	  (2Pa)	  of	  Dust	  devil	  2. Wind	  velocity	  /	  direcPon	  3. Numbers	  or	  Amount	  of	  dust	  	  (	  require	  Dust	  parPcle	  counter	  or	  LIDAR)	  4. Opacity	  (NavigaPon	  Camera)	  3. Power	  spectrum	  of	  wind	  (Extra)	  1. Wind	  velocity	  /	  Pressure	  at	  2s	  period	  (up	  to	  60sol)	  	  Observed	  Pressure	  while	  	  Dust	  devil	  Event	  Instruments	
• BASIC	  Components	  • Thermometer	  • Barometer	  • Anemometer	  • (CAMERA)	  • Dust	  Measurements	  • ParPcle	  Counter	  • LIDAR	  	  Talk	  about	  :	  	  	  developing	  /	  tesPng	  status	  some	  instruments	

TESTING  ENVIRONMENT	Mars	  Environmental	  SimulaPon	  Chamber	  	  	  /	  PERC	  	5-­‐10hPa	  (1000	  –	  0	  hPa)	  0	  :	  -­‐120℃ (40	  :	  -­‐120℃)	  CO2	  or	  Ar	  (Lower	  -­‐80℃)	

Globe  Thermo-­‐Radia/ve-­‐
Anemometer	
using	  on	  Earth	  with	  Bio-­‐sensors	  	  	  	  for	  human	  health	  meteorology	  	  	  (Heatstroke)	

（Nakayoshi	  	  /Tokyo	  Univ.	  of	  Sci.	  ）	• 2	  globes	  of	  diﬀerent	  colors	  +	  1	  more	  black	  globe	  (φ12)	  • diﬀerent	  absorpPon	  rates	  of	  	  radiaPon	  	  (Shortwave	  (Solar	  radiaPon	  )	  and	  Longwave(mainly	  Ground	  RadiaPon)).	  	  • measurement	  of	  each	  temperature	  of	  globes	  (by	  thermocouple).	  
• 1	  more	  black	  globe	  is	  heated.	
Tested	  in	  Mars	  Environment	  Chamber	Globe  Sensors  Temperature  determina/on  factor	
​𝐶↓𝑔𝑏ℎ /𝐴 (​​𝑑𝑇↓𝑔𝑏ℎ /𝑑𝑡 )=(1−​𝛼↓𝑏 )S+​𝜀↓𝑏 𝐿−​𝜀↓𝑏 σ​
𝑇↓𝑔𝑏ℎ↑4 −ℎ(​𝑇↓𝑔𝑏ℎ −​𝑇↓𝑎 )+​𝐻↓𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 	  	  	  
​𝐶/𝐴 (​​𝑑𝑇↓𝑔𝑏 /𝑑𝑡 )=(1−​𝛼↓𝑏 )S+​𝜀↓𝑏 𝐿−​𝜀↓𝑏 σ​𝑇↓𝑔𝑏↑4−ℎ(​𝑇↓𝑔𝑏 −​𝑇↓𝑎 )	  	  ​𝐶/𝐴 (​​𝑑𝑇↓𝑔𝑤 /𝑑𝑡 )=(1−​𝛼↓𝑤 )S+​𝜀↓𝑤 𝐿−​𝜀↓𝑤 σ​𝑇↓𝑔𝑤↑4 −ℎ(​𝑇↓𝑔𝑤 −​𝑇↓𝑎 )	
C:	  Thermal	  Capacity	  	  A:Surface	  Area	  S,L:Short,Long	  wave	  radiaPve	  ﬂux	  α:Albedo	  ε:emissivity	  	  σ：Stefan-­‐Boltzmann	  constant	  	  Hinput:Heater’s	  Heat	  input	  0	  -­‐10	  INDEX	  424.00	  	  848.00	  	  1272.00	  	  1696.00	  	  2120.00	  	  2544.00	  	  2968.00	  	  3392.00	  	  3816.00	  	  4240.00	  	  4664.00	  	  5088.00	  	  5512.00	  	  5936.00	  	  6360.00	  	  6784.00	  	  7208.00	  	  7632.00	  	  8056.00	  	  8480.00	  	  8904.00	  	  9328.00	  	  9752.00	  	  10176.00	  	  10600.00	  	  11024.00	  	  11448.00	  	  11872.00	  	  12296.00	  	  12720.00	  	  13144.00	  	  13568.00	  	  13992.00	  	  14416.00	  	  14840.00	  	  15264.00	  	  15688.00	  	  16112.00	  	  16536.00	  	  16960.00	  	  17384.00	  	  17808.00	  	  18232.00	  	  Radia/on	
70	  60	  50	  40	  30	  20	  10	  -­‐20	  diﬀerence	  between	  globes:	  	  	  	  gray	  line	  :	  feel	  Long	  wave	  (due	  to	  diﬀerence	  of	  emissivity)	

Anemometer  	Calculated	  Wind	  velocity	  (1	  min	  Running	  mean)	  	  	  Lel	  side	  of	  verPcal	  FAN	  ON	  line	  :	  	  very	  turbulently	  air	  condiPon.	  
(because	  of	  injecPon	  CO2)	  	  	NOTE:	  using	  Heat	  Capacity	  value	  at	  1000hPa	  Air	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  So	  Calculated	  value	  is	  not	  meaningless.	  	Accuracy	• On	  Earth	  	  • Wind	  Velocity(0.24	  m/s)	  • Short	  Wave	  ﬂux	  (19.1W/m2)	  • Long	  Wave	  ﬂux	  (14.8W/m2)	

• On	  Mars	  • Wind	  Velocity	  -­‐>	  detectable?	  
• Short	  Wave	  (maybe	  same:	  twice	  larger	  relaPvely)	  • Long	  Wave	  (maybe	  same:	  10Pmes	  larger	  relaPvely)	

Barometer	
control	  box	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  sensor	
Crystal	  Oscillator:	  	  • Impedance	  is	  a	  FucPon	  of	  FricPon	  (and	  temperature)	  • Dependency	  can	  control	  with	  cupng	  angle	  (this	  sensor	  mainly	  Impedance	  -­‐	  fricPon(pressure)	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  Frequency	  	  	  	  -­‐	  Temperature	  	  	  )	  • total	  200g	  ,	  10cm	  x	  10cm	  x	  5cm	  	  Kurihara(Hokkaido	  Univ.)	

Using	  on	  Rocket	  observaPon	  troposphere	  to	  mesosphere:	  • wide	  dynamic	  range	  	  	  • robust	  for	  vibraPon	  at	  launch	  Pme	  Pressure	
Barometer（y：Barometer x：ControlPanel/pressure	  gauge）	

Dependency	  on	  Temperature(6.8hPa)	
1.68	  4	  1.67	  3.5	  1.66	  3	  1.65	  2.5	  1.64	  2	  1.63	  1.5	  1.62	  1	  1.61	  y	  =	  1E-­‐05x2	  +	  0.0002x	  +	  1.6	

1.6	  0.5	  0	  0.000	   0.200	   0.400	   0.600	   0.800	   1.000	   1.200	   1.400	   1.600	   1.800	  Corrected	  with	  Temperature	
3.5	  3	  2.5	  2	  1.5	  1	  0.5	  0	  0.000	  0.200	  0.400	  0.600	  0.800	  1.000	  1.200	  1.400	  -­‐90.0	  	  -­‐80.0	  	  -­‐70.0	  	  -­‐60.0	  	  -­‐50.0	  	  -­‐40.0	  	  -­‐30.0	  	  -­‐20.0	  	  1.59	  -­‐10.0	  	   0.0	  	  Thermocouple  vs    Temperature  from  frequency	
20	  0	  32.744	  Frequency-­‐Temperature（Thermocouple	  on	  BaroSenserBODY）	  32.746	  32.748	  32.75	  32.752	  32.754	  32.756	  32.758	  -­‐20	  -­‐40	  y	  =	  533093x2	  -­‐	  3E+07x	  +	  6E+08	
-­‐60	  -­‐80	  -­‐100	  22:56:30	
23:00:32	
23:02:20	
23:03:32	
23:04:26	
23:06:06	
23:09:26	

Outside	  Inner	  Temperature	  Thermocouple	 Thermocouple	 Frequency	  	-­‐71.94	
-­‐54.13	
-­‐46.35	
-­‐39.58	
-­‐37.44	
-­‐29.47	
-­‐12.48	

-­‐94.4	  	-­‐74.7	  	-­‐58.7	  	-­‐53.8	  	-­‐46.3	  	-­‐36.1	  	-­‐17.0	  	-­‐83.2389	
-­‐68.7101	
-­‐60.2459	
-­‐54.0083	
-­‐49.5689	
-­‐41.0071	
-­‐24.3147	

Accuracy  of  Barometer	• 0.1Pa	  on	  MarPan	  Surface	  (Tunable)	  CalibraPon	  in	  air	Anemometer	
• Concept	  • Split	  Film	  around	  cylinder	  	  • Top	  ﬁlm	  is	  heated	  	  • Pt	  heater	  	  • Wind	  direcPon	  is	  calculated	  diﬀerence	  of	  sensor	  pair	  	Radia/on  Thermometer	
​𝐶/𝐴 (​​𝑑𝑇↓𝑔𝑏 /𝑑𝑡 )=(1−​𝛼↓𝑏 )S+​𝜀↓𝑏 𝐿−​𝜀↓𝑏 σ​𝑇↓𝑔𝑏↑4−ℎ(​𝑇↓𝑔𝑏 −​𝑇↓𝑎 )	
No	  Wind	

Cut	  by	  Ge	  Lens	

• Surface	  Temperature	  monitoring	  	  HORIBA	  Ltd.	
Only	  qualitaPve	  test:	  	  	  	  	  	  working	  but	  value	  is	  not	  validated	  	  	Dust  Monitoring	
ParPcle	  sensor	  • ParPcle	  sensor	  monitors	  the	  frequency	  of	  signal	  Laser	  (CW)	
from	  transiPng	  dust	  Detector	
Dust	  • Already	  used	  as	  parPcle	  	  	  &	  	  counter	  in	  cirrus	  cloud	  	  Gas	
• Size	  distribuPon	  is	  divided	  In	  reality,	  CW	  laser	  is	  into	  5+	  bins.	  
wider	  (~1mm)	  than	  the	  size	  of	  typical	  dust	  size	  (~a	   • SpeciﬁcaPons:	  few	  um).	  
• Weight:	  Signal	  Count	Signal	  paxern	  from	  one	  parPcle	
Size	  of	  the	  dust	
Transit	  Pme	velocity	
Time	• less	  than	  200g	  (sensor	  part	  +electric	  part	  +cables)	  • Size:	  • 100mmX80mmX30mm	  (sensor	  part)	  • Power	  consumpPon	  • <1W	  (in	  run)	

Par/cle  Counter  	• Based	  Cirrus	  Cloud	  ParPcle	  Counter	  • (5-­‐6/2015	  Compare	  with	  OPC)	  (Fujiwara	  /	  Hokkaido	  Univ.)	

Visual	  Field	  	  10mm3	  (=0.01cc)	  1μm	  parPcle	  0.5	  –	  2parPcle	  (0.01	  cc)	  100μm	  parPcle	  is	  much	  fewer	  Dust  Monitoring	• LIDAR	  measures	  the	  distribuPon	  of	  dust	  grains	  Dust	
on	  the	  line	  of	  sight.	  
Tx	• Comm.	  base	  instrument	  has	  been	  developed.	  
Rx	• Observe	  100m	  dividing	  • LIDAR	  transmits	  a	  pulse	  into	  1m	  bins	  laser	  and	  measure	  the	  proﬁle	  of	  returned	  light.	 • φ100mm,	  900g	  in	  total	
size	  /	  velocity	Surf.	  area	x	  dust	  density	
Distance	
to	  dust	

0	Time	Voltex	
LIDAR	

size	

Signal	  Count	Short	  range	  LIDAR	  (LIght	  DetecPon	  and	  Ranging)	  LIDAR  (mirror)	

(Shiina	  /	  Chiba	  Univ.)	
2014/Apr	  Test	  each	  component	  2015/May	  	  Assemble	  Sensor	  /	  Main	  Board	  -­‐>	  CalibraPon	  	  	  2015/Summer	  Field	  test	  	UV	  or	  Violet	  LED	  /	  transmipng	  mirror	  size	  	  	Sonic  Anemometer  Status	
• Transducer’s	  sound	  Impedance	  very	  diﬀerent	  from	  MarPan	  Air’s	
Piezoelectric	  Polymer	  Film	  TORAY	  Engineering	  Co.	

Electlet	  Condenser	  Film	  (Kageyama/	  Saitama	  Univ.)