Mars Reconnaissance Orbiter

Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) on NASAn kiertolaistyyppinen Mars-luotain. Se laukaistiin Maasta 12. elokuuta 2005, saapui Marsin kiertoradalle 10. maaliskuuta 2006 ja aloitti tieteelliset tehtävänsä marraskuussa 2006, kun ilmajarrutus ja tekniset tarkistukset oli tehty. Luotaimen suunniteltiin aluksi tekevän mittauksia 25 kuukauden ajan, mutta se oli edelleen toiminnassa vuonna 2015. 

Luotain on osa NASA:n JPL-keskuksen Marsin tutkimusohjelmaa. MRO on ensimmäinen aerodynaamista jarrutusta hyödyntävä Marsin kiertoradalle asettuva luotain. Tämä vähentää ajoaineen kulutusta ja pidentää luotaimen toiminta-aikaa Marsin kiertoradalla. 

MRO:n päätavoite on mitata Marsin vesivaroja. Se myös kartoittaa laskeutumispaikkoja tuleville pinta-asemille ja jopa miehitettyjä lentoja varten. Sen kamera pystyy erottamaan pinnalta jopa muutaman kymmenen sentin kokoisia kappaleita. Näin ollen se saattaa jopa löytää ESAn Mars Express -mission kuljettaman englantilaisen Beagle 2 -laskeutujan, jonka laskeutuminen epäonnistui vuoden 2003 lopulla.

Luotaimen kehitystyö maksoi 416 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria. Sen sanotaan olevan suurin Marsiin lähetetty luotain, ja sen antennin avulla luotaimen on tarkoitus saavuttaa jopa 6 Mbit/s tiedonsiirtonopeus Maahan. 

Luotain laukaistiin Atlas V -kantoraketilla laukaistiin 12. elokuuta 2005 kello 14.43 Suomen aikaa (7.43 paikallista aikaa). Alkuperäinen laukaisupäivä oli 9. elokuuta, mutta sitä jouduttiin lykkäämään raketissa ilmenneiden vikojen takia.

Osana Mars-toimintaa 

MRO:n tarkoitus on tehdä alustavaa perustyötä, jota hyödynnetään NASAn myöhemmissä Mars-ohjelmissa. Vuonna 2008 Phoenix-laskeutuja laskeutui Marsin pinnalle, ja NASA kehittelee parhaillaan erittäin kehittynyttä Mars Science Laboratory -mönkijää, jonka ensimmäinen laukaisutilaisuus on vuonna 2011. MRO:n huipputarkkojen instrumenttien avulla suunnittelijat voivat valita kummallekin tehtävälle parhaan mahdollisen laskeutumispaikan. MRO tulee toimimaan linkkiasemana, jonka kautta nämä myöhemmät tehtävät välittävät tietonsa Maahan. Lisäksi MRO pystyy avustamaan tulevia aluksia laskeutumisvaiheessa välittämällä kriittistä navigaatiodataa.

Aikajana 
 30. huhtikuuta 2005 alus saapui laukaisualustalle.
 9. elokuuta aikaisinta lähtöaikaa (10. elokuuta) päätettiin lykätä Atlas V:n gyroskooppien luotettavuusongelmien vuoksi. Ongelmat ratkaistiin seuraavana päivänä, ja uudeksi laukaisuajaksi annettiin 11. elokuuta klo 12:50 UTC.
 11. elokuuta sää viivästytti laukaisua, ja polttoainemittaristossa ilmenneet viat siirsivät laukaisun lopulta seuraavalle päivälle.
 12. elokuuta klo 12:43 UTC: MRO laukaistaan avaruuteen. Lähtö ja kiertoradalle siirtyminen tapahtuivat ilman ongelmia.
 15. elokuuta: MARCIn kalibrointi ja testit.
 27. elokuuta suoritettiin ensimmäinen korjaus lentorataan. Poltto kesti 15 sekuntia; nopeus muuttui 7,8 m/s.
 3. helmikuuta 2006 luotain aloitti lähestymisvaiheen.
 10. maaliskuuta 2006 luotain suorittaa 27 minuutin jarrutuspolton ja asettuu hyvin elliptiselle radalle
 5 kuukauden aikana luotain ilmajarruttaa Marsin kaasukehässä ja muuttaa kiertorataansa varsinaisiin tieteellisiin havaintoihin sopivaksi.

Asettuminen kiertoradalle ja ilmajarrutus 

Kiertoradalle siirtyminen alkoi luotaimen ylitettyä ensimmäistä kertaa Marsin eteläisen pallonpuoliskon 10. maaliskuuta vajaan 400 km:n korkeudella. Luotaimen kaikki kuusi päämoottoria paloivat 27 minuutin ajan, mikä vähensi MRO:n nopeutta 2,9 km/s 1,9km/s.

Heliumia sisältävä painesäiliö oli odotettua kylmempi, minkä vuoksi polttoainesäiliön paine jäi  21 kPa (3 psi) odotettua alhaisemmaksi. Tämä vähensi moottorin tehoa 2%. MRO kompensoi menetetyn tehon pidentämällä polttoaikaa 33 sekuntia. Luotaimen lopullinen nopeus Marsiin nähden oli vain 0,17 m/s aiottua nopeampi.

Laitteisto 

MRO:n päämääränä on etsiä todisteita vedestä sekä tutkia Marsin ilmakehän ominaispiirteitä ja geologiaa.

Luotaimen mukana on kuusi tieteellistä laitetta, sekä kaksi apulaitteistoa, jotka keräävät dataa luotaimen alijärjestelmistä. Lisäksi on tarkoitus suorittaa kolme teknologiakoetta, joiden avulla esitellään tulevien tehtävien mukaan asennettavaa tekniikkaa.

 Kamerat
 HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment)
 CTX (Context Camera)
 MARCI (Mars Color Imager)
 Spektrometri
 CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars)
 Radiometri
 MCS (Mars Climate Sounder)
 Tutka
 SHARAD (Shallow Radar)
 Tieteelliset apulaitteistot
 Gravity Field Investigation Package
 Atmospheric Structure Investigation Accelerometers
 Teknologiakokeet
 Electra UHF Communications and Navigation Package
 Optical Navigation Camera
 Ka-band Telecommunications Experiment Package

Tieteelliset instrumentit

HiRISE 
High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE, "korkearesoluutioinen kuvauskoe") on kamera, joka muodostuu 0,5 metrin kokoisesta peilikaukoputkesta. Sen resoluutio on 1 mikroradiaani, eli se pystyy havaitsemaan metrin kokoisen kohteen 300 km:n etäisyydeltä. Se tuottaa kuvia kolmella värialueella; sinivihreällä, punaisella ja infrapunan lähellä.

HiRISEn avulla saadaan stereokuvia, joiden avulla alueen topografia voidaan mitata 0,25 metrin tarkkuudella. Näitä käytetään mahdollisten laskeutumisalueiden kartoittamiseen. Myös yleisö voi esittää kuvattavia kohteita.

CTX 
Context Imager eli CTX (”yleiskuvaaja”) tuottaa mustavalkokuvia, joiden pikseliresoluutio on kahdeksan metriä. CTX on suunniteltu toimimaan yhdessä toisten kuvauslaitteiden kanssa, jotta tutkittavista alueista saadaan käyttökelpoiset yleiskuvat.

MARCI 
Mars Color Imager (MARCI, "Marsin värikuvaaja") ottaa kuvia Marsista viisi näkyvällä ja kaksi ultravioletin valontaajuudella. MARCIn tiedoista luodaan kartta koko planeetasta, jonka avulla voidaan seurata muutoksia Marsin ilmastossa päivittäisellä ja vuosien aikavälillä. Lisäksi laitteen avulla saadaan Marsista päivittäiset sääraportit.

CRISM 
Compact Reconnaissance Imaging Spectrometers for Mars (CRISM, "Pieni tiedustelukuvausspektrometri") on spektrometri, joka toimii infrapunan ja näkyvän valon taajuuksilla. Sen tarkoituksena on tehdä yksityiskohtaiset kartat Marsin pinnan mineraaleista. CRISMin resoluutio on 18 metriä 300 kilometrin korkeudelta. Se toimii 400–4 050 nanometrin välisellä alueella, josta se mittaa 560 kanavaa joista jokainen on 6,55 nanometrin levyinen.

MCS 
Mars Climate Sounder (MCS, "Mars-ilmastosondi") on yhdeksänkanavainen spektrometri. Näistä yksi toimii näkyvällä/lähes infrapunataajuudella (0,3–3,0 µm) ja kahdeksan toimii infrapunataajuuksilla (12–50 µm). Nämä kaistat on valittu lämpötilan, paineen, vesihöyryn ja pölymäärien mittaamista varten.

Laite tarkkailee Marsin horisonttia ja jakaa sen pystysuoriin kaistaleisiin, joista tehdään erilaisia mittauksia. Mittauksien perusteella saadaan päivittäiset sääkartat, joista nähdään lämpötila, paine, kosteus ja pölymäärät.

SHARAD 
SHARAD (Shallow Subsurface Radar, "Huokoisen pinnan tutka") on koe, jonka tarkoitus on selvittää Marsin jäätiköiden sisäistä rakennetta. Lisäksi tutkan avulla pyritään saamaan planeetanlaajuista tietoa pinnanalaisista jää-, kivi- sekä vesikerroksista.

SHARAD toimii 15 ja 25 MHz:n radiotaajuusalueilla. Sen erotustarkkuus on pystysuunnassa jopa 7 metriä, ja signaali voi tunkeutua jopa kilometrin syvyyteen. Horisontaalinen erotustarkkuus on 0,3–3 km. SHARAD on suunniteltu toimimaan Mars Expressin MARSIS-tutkan kanssa, jolla on pienempi resoluutio mutta suurempi tunkeutumiskyky. Italian avaruusjärjesto ASI on valmistanut molemmat instrumentit.

Tieteelliset apulaitteistot

Gravity Field Investigation Package 
MRO:n nopudessa tapahtuvista muutoksista voidaan päätellä Marsin painovoimakentässä olevia pieniä muutoksia. Luotaimen nopeus havaitaan radiosignaalin dopplersiirtymän avulla.

Atmospheric Structure Investigation Accelerometers
Orbiteriin asennettujen herkkien kiihdytysmittarien avulla voidaan tehdä havaintoja ilmakehän tiheydestä. NASAn tiedotteissa ei kerrota, kestääkö koe koko tehtävän ajan vai ainoastaan ilmajarrutuksen ajan.

Teknologiakokeet 
Electra on ohjelmistopohjainen UHF-radio, jolla on tarkoitus pitää yhteyttä muihin luotaimiin niiden lähestynis- ja laskeutumisvaiheessa sekä Marsissa toimiessa. Radion avulla voidaan muodostaa luotaimien välisiä yhteyksiä 1 kbps:n nopeuksista aina 2 Mbps asti. Lisäksi Electra tarjoaa doppler-tietojen keräämisen, tallennusmahdollisuuden sekä huipputarkat ajastuspalvelut. Doppler-dataa voidaan käyttää loppuvaiheen laskeutumispaikan määrittämisessä sekä laskeutumisradan laskemisessa. Näiden tietojen avulla luotaimien ja mönkijöiden sijainti voidaan määrittää Marsin pinnalla erityisen tarkasti. Koska Electra on modeemitasolle asti määritelty ohjelmisto, siihen voidaan päivittää uusia modulaatio-, koodaus- ja protokollatoimintoja luotaimen kiertäessä Marsia.

Optical Navigation Camera ("Optinen navigointikamera") ottaa kuvia Marsin kuista Phoboksesta ja Deimoksesta, ja määrittelee luotaimen kiertoradan tähtien asennon perusteella. Tämä ei ole tehtävän onnistumisen kannalta merkittävää, mutta se otettiin mukaan, jotta sitä voitaisiin hyödyntää tulevissa tehtävissä. Optista  navigointikameraa kokeiltiin onnistuneesti vuoden 2006 helmi- ja maaliskuussa.

Teknisiä tietoja luotaimesta

Rakenne 

Lockheed Martin Space Systems suunnitteli ja rakensi avaruusaluksen ja asensi siihen sen tieteelliset instrumentit Denverissä. Instrumentit rakennettiin tehtävää varten, ja niiden valmistamisen osallistuivat Arizonan yliopisto, Johns Hopkinsin yliopiston sovelletun fysiikan laboratorio, Italian avaruusjärjestö (ASI) Roomassa, Malin-yhtiön avaruustiedelaitteita valmistava yksikkö Kaliforniassa sekä JPL.

Aluksen primaarirakenne on tehty pääosin kerroslevystä, jonka pintalevyt ovat hiilikuitukomposiittia ja ydin alumiinihunajakennoa. Titaanista valmistettu polttoainesäiliö on aluksen suurin osa.

 Kokonaispaino on alle 2 180 kg
 Kuivapaino (ilman polttoainetta) on alle 1 031 kg

Sähkötehon tuotanto 

Mars Reconnaissance Orbiter saa kaiken sähkövirtansa kahdesta aurinkopaneelista. Kumpikin paneeli suunnataan kohti Aurinkoa itsenäisesti. Molempien paneelien mitat ovat 5,35 m × 2,53 m. Paneelin etupuolella on 3 744 aurinkokennoa yhteensä 9,5 m² verran. Erittäin hyvän hyötysuhteen omaavat GaAs-aurinkokennot pystyvät muuttamaan yli 26 % valosta sähköksi. Kennot on yhdistetty toisiinsa siten, että ne tuottavat 32 voltin jännitteen. Marsin etäisyydellä paneelit pystyvät tuottamaan yhteensä 2 kilowatin tehon (6 kW Maan kiertoradalla).

MRO käyttää kahta uudelleenladattavaa NiMH-akkua silloin, kun aurinkokennot eivät osoita Aurinkoa kohti. Tällaisia tilanteita ovat mm. laukaisu, kiertoradalle asettuminen sekä ilmajarrutus. Lisäksi Mars peittää säännöllisesti auringonvalon aluksen ollessa kiertoradalla. Kummassakin akussa on 50 Ah:n varastot. Luotain ei voi käyttää koko kapasiteettia, sillä jännite putoaa kun akkuja ladataan. Mikäli jännite putoaa 20 voltin alle, tietokone lakkaa toimimasta. Siksi suunnitelman mukaan kapasiteetista voidaan hyödyntää vain 40 %.

Tietokone 

Mars Reconnaissance Orbiterin päätietokoneena on 32-bittinen RAD750-prosessori, jossa on 10,4 miljoonaa transistoria ja joka toimii 133 MHz:n nopeudella. Tämä prosessori on säteilynkestävä versio PowerPC750:stä (eli G3-prosessorista), ja se käyttää tarkoitukseen suunniteltua emolevyä. RAD750 on RAD6000:n seuraaja.

Nykyaikaisiin prosessoreihin verrattuna nämä lukemat voivat vaikuttaa alitehoisilta, mutta suoritin on poikkeuksellisen kestävä ja vakaa, ja se pystyy toimimaan jopa keskellä aurinkomyrskyä.

Käyttöjärjestelmänä on VxWorks, johon on lisätty huomattavat määrät vikasietoprotokollia sekä monitorointiominaisuuksia.

Tiedot tallennetaan 160 Gb:n (20 gigatavun) flashmuistiin, joka koostuu yli 700 256 Mb:n muistisirusta. Kapasiteetti ei ole suinkaan ylimitoitettu käsiteltävään tietomäärään nähden; yksi HiRISEn kuva voi viedä jopa 28 Gb.

Navigointijärjestelmät 
Navigaatiojärjestelmät kertovat luotaimen sijainnin, kurssin ja asennon.
 16 aurinkoanturia (joista 8 on varalla) on asennettu eri puolille luotainta. Antureiden tarkoitus on mitata Auringon sijaintia luotaimen asentoon nähden.
 Kahta tähdenseurantajärjestelmää käytetään luotaimen asennon mittaamiseen. Järjestelmä muodostuu tavallisista digitaalikameroista, joiden avulla luokiteltujen tähtien sijainti kartoitetaan automaattisesti.
 Luotaimessa on kaksi inertianmittausyksikköä(toinen varalla), jotka mittaavat aluksen liikettä. Kumpikin yksikkö muodostuu kolmen kiihtyvyysmittarin ja kolmen lasergyroskoopin yhdistelmästä.

Rakettimoottorit ja asennonmuutokset 
Luotaimessa on 1 175 litran polttoainesäiliö. Painetta säädellään lisäämällä toisesta tankista paineistettua heliumkaasua. 70 % polttoaineesta käytettiin kiertoradalle siirtymiseen.

MRO:n mukana on 20 rakettimoottoria. Kuusi suurta moottoria voivat kukin tuottaa 170 Newtonin  työntövoiman; yhteensä niistä saadaan 1 020 N, joka käytetään lähinnä kiertoradalle siirtymiseen. Kuusi keskikokoista moottoria tuottavat kukin 22 N, mikä käytetään korjausliikkeisiin kiertoradalle siirtymisessä. Lisäksi kahdeksan pientä moottoria tuottavat 0,9 N, jota käytetään asennon korjaamiseen luotaimen kiertäessä planeettaa.

Tuloksia 
Coloradon yliopiston tutkijaryhmä löysi kesäkuussa 2009 MRO:n HiRES-kameran kuvista muinaisen järven jäänteet Marsin päiväntasaajan läheltä. Järvi oli arviolta 450 metriä syvä, 200 neliökilometrin laajuinen ja kuivui arviolta 3,4 miljardia vuotta sitten.

MRO:n pitkä mittausaika on mahdollistanut Marsin vuodenaikojen havainnoinntia ja näihin liittyvän aktiivisuuden kuten pölymyrskyjen, maanvyöryjen ja vaeltavien dyynien kuvaamisen. Lisäksi MRO on havainnut tuoreita meteoriittikraattereita.

Katso myös
Lunar Reconnaissance Orbiter

Lähteet

Aiheesta muualla 

 Viralliset sivut 
 NASA 
 JPL , kuvagalleria
 Simulaatio MRO:n lentoradasta 
 HIGH RESOLUTION IMAGING SCIENCE EXPERIMENT – Hirise-instrumentin kuvia

Miehittämättömät avaruuslennot
Mars-luotaimet