مارس إكسبريس

نظرة عامة علي المهمة

تهدف بعثة مارس إكسبريس إلى دراسة المدار (خاصة الأساسي) إلى جانب دراسة لبّ الكوكب وسطحه، و كذلك إلى دراسة المناخ و البيئة على سطح المريخ. و تُمثل بعثة مارس إكسبريس محاولة لتحقيق الأهداف العلمية التي فشلت في تحقيقها البعثة الروسية "مارس 96" ، متمّمةً بأبحاث بيولوجيا الفضاء التي تقوم بها "بيجل 2". و من وجهة نظر علم مقارنة الكواكب، فإن دراسة المريخ لهي ضرورة أساسية من أجل فهم أفضل لكوكب الأرض.
تحمل المركبة على متنها في الأصل سبع أجهزة علمية؛ قاعدة هبوط صغيرة، متتبع لمركبة الهبوط و كاميرا رصد بصري، كلها قد تم تصميمها للمساعدة في حلّ لغز مياه المريخ المفقودة. كل الأجهزة تأخذ قياسات السطح و الغلاف الجوي و وسائل الاتصال بين الكواكب من المركبة الرئيسية في المدار القطبي، مما سيسمح لها بتغطية الكوكب بأكمله تدريجيًا.
بلغت التكلفة الإجمالية الأولية لبعثة مارس إكسبريس 150 مليون يورو   هذا باستثناء مركبة الهبوط. يُذكر أن عقد المقاولة الأوليّ لبناء المسبار الخاص ببعثة مارس إكسبريس كان من نصيب "أستريوم للأقمار الصناعية" التابعة لشركة الفضاء و الدفاع الجويّ الأوروبية.

الإطلاق

تم إطلاق المركبة في الثاني من يونيو لعام 2003 ، في الساعة 23:45 بالتوقيت المحلي لمدينة بايكونور في كازاخستان باستخدام صاروخ من طراز "سيوز/فريجات" ، وضعت (مارس اكسبريس)  المركبة الفضائية والصواريخ المعززة مبدئيًا في المدار 200 كم حول الأرض, بعدها تم إطلاق الصاروخ مجددًا في الساعة 19:14 بالتوقيت العالمي لوضع المركبة في المدار حول المريخ . انفصل الصاروخ فريجات عن المركبة حوالي الساعة 19:17، و تم نشر الألواح الشمسية لاحقًا و تصحيح المسار في الرابع من يونيو من أجل توجيه مارس إكسبريس نحو المريخ و السماح للصاروخ التعزيزي فريجات بالهبوط في الفضاء بين الكواكب.
يُعد مارس إكسبريس كأول مسبار روسي ينجح في اجتياز المدار الأرضي المنخفض منذ 
منذ سقوط الاتحاد السوفيتي .

مرحلة الملاحة القريبة من الأرض

امتدت مرحلة الملاحة القريبة من الأرض بداية من  انفصال المركبة من المرحلة العليا للقاذف حتى اكتمال التحقق الأوّل للمسبار والحمولة. كما تتضمن نشر الألواح الشمسية واكتساب المسار المبدئى, مناورة تصحيح خطأ الحقن والتكليف الأول من المركبة والحمولة ((التكليف النهائى للحمولة حدث بعد دخول مدار المريخ)) . الحمولة  تم فحصها كل آداة على حده, وهذه المرحلة استمرت نحو شهر واحد.

طور رحلة ما بين الكواكب

هذا الطور ذو الخمسة أشهر امتد منذ إنتهاء طور الملاحة بالقرب من الأرض إلى شهر واحد قبل مناورة الهبوط على المريخ و تضمن مناورات تصحيح المسار و معايرة الحمولة . تم التخلص من معظم الحمولة أثناء هذا الطور باستثناء بعض المُراجِعات((الفواحص)) متوسطة المدى. و على الرغم من التخطيط بأن يكون هذا الطور طورًا هادئًا إلا أنه سرعان ما اتضح جليا أنه سيكون طورًا مشغولًا للغاية. حيث أنه كانت هناك مشاكل في محددات مواقع النجوم, و في توصيلات أسلاك القوى الكهربية, و مناورات إضافية, و في الثامن و العشرين من أكتوبر ضُربت المركبة بأحد أقوى التوهجات النجمية التى سجلت على الإطلاق.

إطلاق معدات الهبوط

قذفت معدات الهبوط بيجل 2 نحو السطح يوم التاسع عشر من ديسمبر في الساعة 8:31 بالتوقيت العالمى ودخلت الغلاف الجوى للمريخ في صباح الخامس والعشرين من ديسمبر, وكان المتوقع أن يحدث الهبوط في الساعة 2:45 بالتوقيت العالمي، لكن بعد عدة محاولات متكررة فاشلة للاتصال ب( بيجل 2) سواء عن طريق مارس اكسبريس او مسبار مركبة مارس أوديسي التابعة لناسا أعلن مجلس إدارة بيجل 2 فقدانها في السادس من فبراير 2004، و قد تم عمل تحقيق و نشرت نتائجه في وقت لاحق من نفس العام.

دخول المدار

وصلت المركبة "مارس إكسبريس" بعد رحلة 400 مليون كم و بعد تعديلات على المسار في سبتمبر و ديسمبر 2003 .
و في العشرين من ديسمبر أطلقت المركبة دفعة إحتراقية صغيرة و ضعتها في الموقع المناسب لتبدأ في الدوران حول الكوكب . بعد ذلك شغل مسبار "مارس إكسبريس" محركه الرئيسي و دخل مدارًا أوليًّا على هيئة قطع ناقص بعداه 250 كم × 150,000 كم بزاوية ميل قياسها 25 درجة في الخامس و العشرين من ديسمبر الساعة 03:00 بالتوقيت العالمى (10:00 مساءً للرابع والعشرين من ديسمبر بتوقيت المنطفة الشرقية الأمريكية ).
أول تقييم لدخول المسار أظهر أن المسبار قد وصل إلى أول معالمه على سطح المريخ. و قد تم تعديل المسار بعد ذلك بأربع إحتراقات دافعة للمحرك الأساسى حتى تم الوصول للمدار المطلوب (259 كم × 11,560 كم بزاوية ميل 86 درجة) و هو مدار شبه قطبى حيث أن المدار القطبى تكون زاوية ميله (90 درجة) و كانت الفترة التى تأخذها المركبة في الدوران حول الكوكب دورة كاملة هى 7.5 ساعة .
بالقرب من أقرب نقطة من المريخ في المدار تم توجيه السطح الأمامى للمركبة إلى سطح المريخ و بالقرب من أبعد نقطة من المريخ في المدار يتم توجيه الهوائي ذو الكسب العالى إلى  الأرض للإرسال والإستقبال .
و بعد 100 يوم من الدوران حول الكوكب تم تقليل بُعد أبعد نقطة من المريخ في المدار إلى 10,107 كم و تم زيادة قُرب أقرب نقطة من المريخ في المدار إلى 298  كم بحيث تصبح الفترة التى يستغرقها مسبار لإتمام دورة كاملة هى 6.7 ساعة .

نشر مارسيس

في الرابع من مايو لعام 2005 نشرت مارس إكسبريس أذرع التمدد لأول الرادارين و التي يبلغ طولها 20 متراً، و ذلك تمهيداً لبدء تجربة مارسيس (رادار المريخ المتقدم للسبر الجوفي و سبر الغلاف الجوي)، لم يصل ذراع التمدد في بادئ الأمر للمكان المطلوب. و لكن تم إصلاح الخلل عن طريق تعريضه لـ أشعة الشمس لبضع دقائق، و ذلك في العاشر من مايو. في الرابع عشر من يونيو تم نشر ذراع التمدد الآخر و البالغ من الطول 20 متر أيضاً. كلا الذراعين كانا مهمين لصنع هوائي ثنائي القطب بطول 40 متر و اللازم حتى يبدأ مارسيس في العمل. في السابع عشر من يونيو تم إضافة هوائي آخر أحادي القطب بطول سبعة أمتار. كان من المخطط لأذرع التمدد في الأصل أن توضع في أبريل 2004؛ و لكن هذا التأخير حدث بدافع الخوف من تدمير المركبة الفضائية عند التثبيت في حالة حدوث اصطدام، و بسبب ذلك التأخير تقرر تقسيم عمل أربعة أسابيع إلى جزئين؛ أسبوعان امتدا حتى الرابع من يوليو، و أسبوعان آخران في شهر ديسمبر 2005. 
كان نشر أذرع التمدد مهمة صعبة و غاية في التعقيد و الحساسية، لذلك فقد احتاج للتعاون المشترك بين وكالتي ناسا و وكالة الفضاء الأوروبية و أيضًا بعض الجامعات الصناعية و العامة.
بدأت الملاحظة العلمية الشديدة بداية من يوليو 2005 ( لمعلومات أكثر طالع [7][8] ، بوابة وكالة الفضاء الأوروبية) حينئذ كان مارس إكسبريس جاهزاً للعمل ، فقامت وكالة الفضاء الأوروبية بضغط مفتاح الإطلاق.

طريقة إرسال المعلومات الي الأرض

منذ وضع مارس إكسبريس في مداره و قد بدأ تدريجيًا في تحقيق الأهداف العلمية المرجوة منه. شكليًا مركبة الفضاء تتوجه إلى المريخ بينما تجمع المعلومات ثم تنحرف لمواجهة الأرض لإرسال البيانات، و ذلك بالرغم من أن بعض الآلات مثل : مارسيس (رادار المريخ المتقدم للسبر الجوفي و سبر الغلاف الجوي) ، راديو العلم قد تكون قيد العمل في نفس الوقت.

البنية

إن مسبار مارس إكسبريس هو مركبة فضائية ذات شكل مكعب و لها جناحان من الألواح الشمسية يمتدان في اتجاهين متعاكسين. تتضمن الكتلة المطلقة ذات الـ 1123 كيلوجرامًا جسد المركبة الرئيسي (و هو ما يُسمَّى بالحافلة) بوزن 113 كجم من الحمولة، مركبة الهبوط ذات الـ 60 كجم، و 457 كجم من الوقود الدافع.
و قد تم تصميم الجسد الرئيسي للمركبة بواقع أبعاد 1.5 متر × 1.8 متر × 1.4 متر، مع بنية من الألومينيوم ذات تصميم يشبه خلايا النحل مغطاة بطبقة من الألومينيوم.و يبلغ طول الألواح الشمسية حوالي 12 مترًا، كما يمتد هوائيّان ثنائيّا الأقطاب بطول 20 مترًا في اتجاهين متعاكسين بالتعامد على اللوحين الشمسيين كجزء من جهاز الرادار.

الدفع

قدمت سفينة الإطلاق "سويوز/فريجات" معظم قوة الدفع اللازمة لبلوغ مارس إكسبريس سطح المريخ، و قد تم تحرير المرحلة الأخيرة من "فريجات" فور التحقق من مسار المسبار نحو المريخ. كذلك فقد تم استخدام وسائل الدفع في المركبة الفضائية بغرض إبطاء المسبار من أجل وضعه في مدار المريخ و لاحقًا من أجل تصحيحات المدار.
تم بناء جسم المركبة حول نظام الدفع الرئيسي و الذي يتكون بشكل أساسي من محرك 400 N ثنائي الدفع. خزّانا الوقود ذوا سعة الـ 267 لترًا تبلغ سعتهما الإجمالية 595 كجم، تبلغ حاجة البعثة المسمّاة 370 كجم منها. يتم استخدام الهيليوم المضغوط  في خزان ذي سعة 35 لترًا من أجل ضخ الوقود إلى المحرك. كما يتم تصويب المدار من خلال ثمان دافعات  N10، تم مسبقًا تركيب كل واحد منها على زاوية من زوايا المركبة مكعبة الشكل. تم تصميم المركبة لتتوافق مع منصة الإطلاق "سويوز/فريجات" ، كما أنها متوافقة أيضًا تمامًا مع مركبة الإطلاق دلتا 2.

الطاقة

يتم إمداد المركبة بالطاقة من خلال ألواح الطاقة الشمسية و التي تحوي 11.42 مترًا مربعًا من خلايا السيليكون. كان من المفترض أن تكون الطاقة 660 وات لـ 1.5 وحدة فلكية، و لكن بسبب خطأ في التوصيل فقد تم خفض الطاقة المتاحة بنسبة 30% لتكون 460 وات فقط؛ مع ذلك فإن هذا النقص في الطاقة لا يؤثر بشكلٍ كبيرٍ على العائد العلمي للبعثة. يتم تخزين الطاقة في ثلاث بطاريات ليثيوم آيون بسعة إجمالية تبلغ 64.8 أمبير/ساعة من أجل استخدامها خلال الكسوف. يتم تنظيم الطاقة بشكل كامل في 28 فولت. في الحالة العادية تستهلك المركبة طاقة تعادل 450 وات إلى 550 وات .

نظام الملاحة

يتم التحكم بالموقع (ثبات ثلاثي المحاور) من خلال استخدام وحدات قياس القصور الذاتي ثلاثية المحاور، زوج من الكاميرات النجمية، جيروسكوب (جهاز تحيد الاتجاه)، جهاز مقياس التسارُع، و زوجين من العجل برد فعل 12 تيوتن م.ث. يبلغ مؤشر الدقة 0.04 درجة بالنسبة للإطار المرجعي للقصور الذاتي، و 0.08 بالنسبة للإطار المداري للمريخ. كما تساعد ثلاثة من الأنظمة المدمجة مع المركبة على دقة توجيه مارس إكسبريس؛ و هو أمر أساسي من أجل السماح للمركبة بالاتصال بطبق 35 متر و طبق 70 متر على الأرض و حتى بعد 400 مليون كيلومترًا.

الاتصالات

يتكون نظام الاتصالات الفرعي من 3 هوائيّات؛ هوائي إرسال على شكل قِطع مكافئ عالي الكسب بقطر 1.7 متر و اثنين أُحاديي الاتجاه. يوفِّر الهوائي الأول خطوط الاتصال (إرسال الاتصالات و استقبال قياسات المعلومات) في كل من الموجة (((إكس))) بتردد 7.1 جيجاهرتز، و الموجة (((إس))) بتردد 2.1 جيجاهرتز و يتم استخدامه خلال مرحلة العلوم الشكلية حول المريخ. أما الهوائيات منخفضة الكسب فإنها تُستخدم أثناء الإقلاع و في العمليات الأولية على المريخ و أيضًا في حالات الطوارئ التي  قد تطرأ في المدار. و تحمل اثنان من مركبات الهبوط على المريخ هوائيات فائقة التردد للتواصل مع "بيجل 2" أو منصات الهبوط الأخرى باستخدام أجهزة إرسال "ميلاكوم.

المحطات الأرضية

على الرغم من أن الاتصالات مع الأرض كان من المقرر أن تتم مع محطة الفضاء الأرضية ذات اتساع الـ 35 مترًا التابعة وكالة الفضاء الأوروبية في ولاية نيو نورشيا بأستراليا؛ إلا أن طبيعة المهمة فيما يتعلق بمرونة التحسين التدريجي و العائد العلمي قد اقتضت استخدام أحدث محطات التتبع الأرضية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية في محطة سيبريروس" بولاية مدريد في إسبانيا.
بالإضافة إلى ذلك فإن الاتفاقيات مع شبكة مراقبة الفضاء البعيد من ناسا قد جعلت من الممكن استخدام المحطات الأمريكية من أجل التخطيط الشكلي للبعثة؛ مما أدى إلى زيادة التعقيد و لكن إلى جانب تأثير إيجابي واضح على العائد العلمي للمشروع.
و قد أثبت التعاون المشترك بين مختلف الوكالات فعاليته و مرونته و إثراءه للطرفين. من الناحية التقنية فإن هذا التعاون أصبح ممكنًا –إلى جانب أسباب أخرى- بفضل اعتماد الوكالتين لمعايير الاتصال التي  حددتها اللجنة الاستشارية لنظم البيانات الفضائية.

حرارياً

يتم التحكم بالحرارة من خلال استخدام المشعاعات،عازل متعدد الطبقات، و السخانات ذات التحكم التفاعلي. يجب أن يتوفر بالمركبة الفضائية بيئة مناسبة للأدوات و المعدات التي على متنها . كل من الأداتين PFS (مطياف فوريير الكوكبي) و OMEGA  يحتويان على مستشعر بالآشعة تحت الحمراء (إنفرا) و التي يجب أن تحفظ في درجة حرارة منخفضة جداً ( تصل إلى حوالي -180درجة مئوية ). كذلك فإن أجهزة الاستشعار بكاميرا الاستيريو فائقة الدقة تحتاج أيضا أن تحفظ باردة، و لكن بقية الأدوات و المعدات على متن المركبة تكون في أفضل أداء لها عند درجة حرارة الغرفة ( 10 - 20 درجة مئوية ).
و قد تم تبطين المركبة ببطانيات حرارية مصنوعة من سبائك الألومنيوم و القصدير المطلية بالذهب للحفاظ على درجة الحرارة الداخلية عند 10- 20 درجة مئوية. أما الأدوات التي تعمل في درجة حرارة منخفضة جدًا فتحفظ باردة ،عن طريق عزلها حراريًا عن درجة الحرارة الداخلية المرتفعة نسبيًا، وتنبعث منها الحرارة الزائدة إلى الفضاء باستخدام المشعاعات المرفقة  .

وحدة التحكم وتخزين البيانات

يتم تشغيل المركبة الفضائية من قبل اثنتين من وحدات التحكم و إدارة البيانات مع 12 غيغابايت من الذاكرة الصلبة  تستخدم لتخزين البيانات و حفظ المعلومات التي تستخدم في عملية بث (ارسال) البيانات. تتحكم الحواسيب على متن المركبة بجميع جوانب عمل وأداء المركبة بما في ذلك التحكم في تشغيل و إيقاف الأجهزة، و تقييم اتجاه المركبة في الفضاء وإصدار الأوامر لتغييره إذا لزم الأمر.
أحد الجوانب الرئيسية الأخرى لبعثة مارس إكسبريس هو أداة مارس إكسبريس للذكاء الاصطناعي (ميكسار2 ).  الغرض الأساسي منها هو جدولة أوقات تنزيل البيانات العلمية المتنوعة التي تم جمعها إلى الأرض .حيث أن تلك العملية - فيما مضى- كانت تأخذ وقتا طويلا من المتحكمات الأرضية، فتلك الأداة الجديدة تختزل الوقت للمشغل و تحدد أفضل مجال ترددات الـDSN  (Deep Space Network) فتمنع ضياع البيانات، و تسمح بأفضل استخدام للـDSN  للعمليات الفضائية الأخرى كذلك .
تلك الأداة تحدد أيضا كيفية إدارة الذاكرة المذكورة مسبقا ، حيث تحدد متى يكون الـ DSN متاح و غير مستخدم من قبل مهمة أخرى،و كيف تصل إلى أحسن استغلال لمجال الترددات المتاح لها، و متى تكون المركبة موجهة توجهًا صحيحًا لإرسال البيانات لكوكب الأرض.

معدات الهبوط

.
كانت أهداف قاعدة الهبوط بيجل 2 هي توصيف موقع الهبوط جيولوجيًا، ومعدنيًا، وجيوكيميائيا، وتوصيف الخواص الفيزيائية للغلاف الجوي، وطبقات السطح. بالإضافة إلى جمع بيانات عن الأحوال الجوية ومناخ المريخ، والبحث عن أية آثار ممكنة للحياة؛ غير ان محاولة الهبوط فشلت وأعلن المسبار مفقودًا.
حددت لجنة التحقيق في اختفاء بيجل 2  العديد من الأسباب المحتملة لفشل محاولة الهبوط، تضمنت  مشاكل الوسادة الهوائية، والصدمات الشديدة التي قد تحدث لإلكترونيات المسبار و التي لم تتم محاكاتها بشكل كاف قبل الإطلاق، و مشاكل مرتبطة بأجزاء من مراحل نظام هبوط، و ارتطام المسبار بالأرض، لكن لم تتمكن اللجنة من الوصول إلى أية استنتاجات قاطعة .

الإكتشافات العلمية والأحداث المهمة

كثر مِنْ 5000 مدار، آلات حمولةِ المريخ السريعةِ كَانتْ إسمياً واشتغلتْ بإنتظام. آلة تصوير إتش آر إس سي تُخطّطُ السطحَ المريخيَ بثبات لم يسبق له مثيلِ وأَخذتْ العشراتَ من الصورِ.

2008

فاز فريق بعثة مارس إكسبريس بجائزة السير آرثر كلارك لأفضل إنجاز لفريق.