Schiaparelli (maandur)

Schiaparelli oli Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) maandur, mis pidi ExoMarsi programmi raames katsetama Marsile maandumiseks vajalikke süsteeme. Maandur ehitati Itaalias ja see nimetati Itaalia ajaloolase ja astronoomi Giovanni Schiaparelli järgi. Maanduri pardal olid mõned teadusseadmed, mis pidid uurima Marsi meteoroloogiat ning mõõtma planeedi atmosfääri elektrivälju.
Schiaparelli startis ExoMars Trace Gas Orbiteri (TGO) külge kinnitatult 14. märtsil 2016 ja proovis Marsile maanduda 19. oktoobril. Maandumine läks algul kavakohaselt, kuid umbes minut enne maandumist, kaotasid ESA lennujuhid Schiaparelliga ootamatult ühenduse. 21. oktoobril 2016 teatas NASA, et Mars Reconnaissance Orbiter leidis Marsi pinnalt ilmselt maanduri rusud. ESA teatas hiljem, et Schiaparelli hävis Marsile maandumisel. Kuna maandur saatis laskumise ajal pidevalt infot, võimaldas see asuda uurima õnnetuse põhjuseid.
Nimi.
Schiaparelli maandur on saanud nime Itaalia astronoomi Giovanni Schiaparelli järgi, kes sooritas 19. sajandil Marsi vaatlusi. Ta on tuntud Marsi kanalite avastamise poolest, mis inspireeris hiljem paljusid uskuma, et Marsil on elu. Schiaparelli tuntuimad tööd on käsitsi joonistatud Marsi kaardid.
Projekti algus ja areng.
Maandurimissiooni planeerimine algas koos Aurora programmiga, mille eesmärgiks on valmistuda mehitatud missioonideks. ExoMars on osa Aurorast ja seetõttu seati Schiaparelli eesmärgiks maandumissüsteemide katsetamine, et saada teada, kuidas maandada Marsile suuremaid seadmeid.
Maanduri arendamisel oli oluline aasta 2005, mil ESA kinnitas 650 miljoni eurose eelarve, et ehitada Marsile saatmiseks kulgur ja baasjaam. Praeguste plaanide kohaselt sarnaneb kulgur Spiriti ja Opportunityga ning baasjaam ja kulgur peaksid Marssi uurima eraldi. Kuna mõlema kogukaal oli suur, hakkas ESA kaaluma suurte kanderakettide, nagu näiteks Ariane 5, Atlas V või Proton-M kasutamist. Kuna kõik valikus olnud kanderaketid suutsid orbiidile viia suuri seadmeid, siis otsustati ka suurem kulgur ehitada. Lõpuks otsustati, et maandumisseadmeid peaks eelnevalt katsetama ja seetõttu tuleks Marsile maandur saata. Schiaparelli plaaniti Marsile saata eraldi, kuid lõpliku plaani järgi sai maanduri emalaevaks Trace Gas Orbiter.
Ülevaade.
Schiaparelli maanduri saadetud info abil plaanivad ESA ja Roskosmos 2020. aastal maandada Marsile ExoMarsi kulguri.
Enne starti.
Schiaparelli ja TGO saabusid Baikonuri kosmodroomile detsembris 2015 ning viimased katsetused tehti 2016. aasta jaanuari keskpaigas, misjärel kinnitati need veebruaris kanderaketi Proton-M külge.
Start.
Sond startis 14. märtsil kell 9:31 (UTC) ja jäi kanderaketi külge veel 10 tunniks, et seada sond õigele kursile. Lennujuhid said TGOlt signaali samal päeval kell 21:29 (UTC) ja telemeetria kinnitas, et süsteemid töötavad veatult.
Varsti pärast TGO eraldumist kanderaketist, märkas Brasiilia teleskoop kanderaketi juures väikeseid objekte, mis andis alust oletada, et raketi aste oli sondist paari kilomeetri kaugusel plahvatanud. Pressikonverentsil eitas Roskosmose peadirektor Igor Komarov kuuldusi plahvatusest ja avaldas telemeetria info.
Teekond Marsile ja maanduri eraldumine.
Pärast starti asusid maandur ja sond koos teele Marsile ning teekonnal sai maandur oma süsteemide töös hoidmiseks toitekaabli kaudu sondilt elektrit, et säästa maanduri akusid. Teekond Marsile kestis umbes 7 kuud.
Pärast seitsmekuulist lendu eraldus Schiaparelli 16. oktoobril 2016, kolm päeva enne Marsile saabumist, oma emalaevast. Maandur võttis eraldumise järel suuna Marsi atmosfääri ning TGO-d asuti valmistama ette Marsi orbiidile sisenemiseks. Schiaparelli lülitus pärast emalaevast eraldumist kolmeks päevaks unerežiimile ning tagasi normaalrežiimile lülitus maandur 19. oktoobril, paar tundi enne maandumist.
Maandur sisenes Marsi atmosfääri kiirusel 21 000 km/h ning aeglustamisel pidi maandur kasutama kuumuskilpi, langevarju ja retrorakette. Schiaparelli maandumispaigaks oli Meridiani Planum. Samal ajal sisenes TGO Marsi orbiidile ja asus pärast seda orbiiti korrigeerima, et 2017. aasta lõpus alustada Marsi atmosfääri uurimist. TGOst saab ka sidejaam, mis hakkab vahendama Marsi pinnal asuvate automaatjaamade ja kulgurite ning Maa vahelist suhtlust.
Maandumispaik.
Maandumispaigaks valiti Marsi tasandik Meridiani Planum, mis on Marsile maanduvate missioonidele eelistatud koht, kuna see on tasane ja madala tõusuga ning annab maanduvatele seadmetele aega oma liikumist enne Marsi pinnale jõudmist aeglustada. Meridiani Planumis maandus 2004. aastal ka kulgur Opportunity, mis on piirkonnas tänaseni töös.
Teadlased lootsid, et Schiaparelli saabub Marsile globaalse tolmutormi ajal, et saada infot atmosfääris toimuva kohta ajal, mil seal ei valitse normaalsed tingimused. Maandumispaik oli teadlaste jaoks huvitav ka seetõttu, et Opportunity on sealt leidnud rauamineraali, mis moodustub vee mõjul ning seetõttu arvatakse, et seal võis kunagi olla suures koguses vett.
Tolmutormi uurimine.
Maandumine pidi Meridiani Planumis toimuma tolmutormide hooajal, mis oleks andnud teadlastele võimaluse uurida suurt kogust tolmu sisaldavat atmosfääri. Maandur oleks need mõõtmised teinud maandumise ajal ja pärast maandumist.
Marsil on globaalseid tolmutorme alates 1924. aastast loendatud vähemalt üheksa korda. 1971. aastal oli Mariner 9 Marsi orbiidile saabumisel parajasti tugev torm ning NASA pidi pildistamisega mitu kuud viivitama, enne kui tolm lõpuks hajus. 2007. aastal oli Marsil nii tõsine globaalne tolmutorm, et see lõpetas äärepealt NASA päikeseenergial töötavate kulgurite, Spiriti ja Opportunity töö. Globaalset tolmutormi ennustati ka 2016. aasta sügiseks, kuid Schiaparelli saabudes polnud see veel alanud.
Marsile saabumine.
Planeeritud maandumine.
Schiaparelli sisenes 19. oktoobril Marsi atmosfääri kiirusel 21 000 km/h. 11 km kõrgusel avanes langevari ja 7 km kõrgusel eraldus kuumuskilp, mis oli maanduri atmosfääri sisenemisel aeglustanud 1650 kilomeetrini tunnis.
Pärast kuumuskilbi ära heitmist käivitus radar, mis hakkas mõõtma Marsi pinna kaugust maandurist. Plaanide kohaselt pidi langevari eralduma 1,3 km kõrgusel ning seejärel pidid käivituma retroraketid, et maanduri kiirus lõplikult aeglustada. Kahe meetri kõrgusel pidid retroraketid välja lülituma ja maandur pidi seejärel kukkuma kahe meetri kõrguselt Marsi pinnale. Marsi pinnale kukkumisest tekkiva löögi leevendamiseks oli maanduri kõht deformeeruv.
Schiaparelli ja Opportunity kulguri meeskonnad tegid koostööd, et üritada pildistada Schiaparellit maandumas. See oli teoreetiliselt võimalik, kuid hiljem teatas NASA, et maandurit ei õnnestunud pildistada. See oleks olnud esimene kord, mil teisel planeedil töötav kulgur, pildistab teise missiooni saabumist.
Õnnetus.
Schiaparelli üritas Marsile maanduda 19. oktoobril. Algul läks atmosfääri sisenemine plaanipäraselt, kuni lennujuhid kaotasid maanduriga minut enne maandumist ootamatult ühenduse. Maanduri signaali eduka maandumise kohta ootasid ESA sond Mars Express ning NASA sondid Mars Reconnaissance Orbiter ja MAVEN, kuid seda ei tulnudki.
Schiaparelli saatis kogu maandumise ajal informatsiooni toimuva kohta, ning saadetud info kinnitas, et langevari avanes 12 km kõrgusel ja kuumuskilp eraldus 7,8 km kõrgusel. Probleemid algasid ühest inertsiaalandurist, mis üheks sekundiks ootamatult küllastus (ei suutnud mõõta suuremaid näite). Anduri vea tõttu sattus navigatsiooniarvuti segadusse ja arvutas kõrguseks negatiivse arvu. Seetõttu vabastas maandur langevarju liiga vara ning retroraketid töötasid planeeritud 30 sekundi asemel kõigest kolm sekundit. Pärast pidurdusrakettide seiskamist, asus maandur oma teadusseadmeid sisse lülitama, sest arvas, et maandumine on lõppenud, kuigi tegelikult oli Schiaparelli 3,7 km kõrgusel. Maandur jätkas informatsiooni saatmist veel 19 sekundit ja selle signaal kadus 50 sekundit enne planeeritud maandumisaega. Schiaparelli kukkus Marsi pinnale kiirusega 540 km/h.
Maanduri rusud leidis 20. oktoobril NASA kosmosesond Mars Reconnaissance Orbiter ning õnnetuspaik asub Opportunity kulgurist umbes 54 kilomeetri kaugusel. 25. oktoobril pildistas Mars Reconnaissance Orbiter õnnetuspaika HiRISE-iga, mille piltidelt on eristatavad langevari, kuumuskilp ja maanduri hukkumiskoht. ESA avaldas HiRISE-i fotod 27. oktoobril. Maanduri purunemisel tekkinud kraater on arvatavalt pool meetrit sügav ning arvatakse, et võib-olla saab tekkinud kraatrit ka tulevikus uurida.
Kuigi Schiaparelli hävis maandumisel, kuulutas ESA missiooni õnnestunuks, sest see oli täitnud oma peamise eesmärgi ehk katsetanud ExoMarsi maandumissüsteemi ja saatnud informatsiooni atmosfääri sisenemise kohta. 20. oktoobril oli ESA saanud kätte enamuse Schiaparelli saadetud informatsioonist ja seda asuti analüüsima. Erinevalt Beagle 2-st saatis Schiaparelli maandumise ajal pidevalt informatsiooni ning seetõttu ei läinud ei info ega ka maandur kaotsi.
Õnnetuspaiga fotode uurimine viitab sellele, et kütusepaagid plahvatasid kokkupõrkel Marsi pinnaga ja maanduri kiirus pidi olema väga suur. Paika pildistati novembris uuesti ja pildid kinnitasid, et Schiaparelli oli kokkupõrkel purunenud, sest kraatri ümbrusest leiti maanduri juppe. Lisaks märkasid teadlased, et Marsi tuuled olid langevarju veidi liigutanud.
Teadusseadmed.
Missiooni peamiseks eesmärgiks oli katsetada maandumissüsteeme, sealhulgas langevarju, Doppleri radaraltimeetrit, tõukureid jne. Kõrvaleesmärk oli teadusseadmete paketiga DREAMS uurida maandumispaigas valitsevaid tuuli, õhuniiskust, -rõhku ja -temperatuuri, atmosfääri läbipaistvust ja planeedi elektrivälju. Schiaparelli teadusmissioon pidi kestma kaks päeva.
Maanduri pardal oli Laskumiskaamera(DECA), mis pidi maandumist pildistama ning mille pildid oleks Maale saadetud pärast maandumist. Schiaparelli pardal olid lisaks DECA-le maandumisandmed kogumas AMELIA ja COMARS+, kuid need saatsid informatsiooni laskumise ajal. Maanduri teadusseadmed pidid töötama ainult mõne päeva, kuid maanduri pardal oli ka peegel, mida kosmosesondid oleksid lasermõõtmistel saanud kasutada aastakümneid.
* MetWind (tuule mõõtmine)
* DREAMS-H (õhuniiskuse mõõtmine)
* DREAMS-P (õhurõhu mõõtmine)
* MarsTem (temperatuuri mõõtmine)
* Päikese kiirgusintensiivsuse sensor
* Micro-ARES (atmosfääri elektriväljade mõõtmine)
DREAMS.
Marsi pinnal sooritatavate teadusoperatsioonide tarbeks, oli Schiaparelli pardal DREAMS, mis pidi erinevate sensoritega uurima Marssi kaks päeva. DREAMS pidi mõõtma tuult, õhuniiskust, -rõhku ja -temperatuuri, atmosfääri läbipaistvust ja planeedi elektrivälju. DREAMS-i seadmed tootsid mitmed erinevad asutused, nagu näiteks ESTEC (Holland), INTA (Hispaania), CISAS (Itaalia) ja FMI (Soome).
DREAMS pidi Marsi pinnal töötama kaks kuni maksimaalselt kaheksa päeva pärast maandumist. Maanduri saabumine ajastati oletatava globaalse tolmutormi ajale, et koguda andmeid tolmuse atmosfääri kohta, kuid torm polnud Schiaparelli saabudes veel alanud. Lisaks lootsid teadlased DREAMS-i abil saada teada, mis roll on Marsi elektriväljadel tolmutormide tekkel ja maanduri niiskusandur pidi võimaldama teadlastel mõista paremini tolmu elektrifitseerumisprotsesse.
Marsi elektrivälju pole kunagi uuritud ja nende roll atmosfääri keemilises koostises ning tolmutormide tekkel on endiselt teadmata. Varem on spekuleeritud, et atmosfääri staatiline elekter mängis rolli Vikingi automaatjaama katsetes, mille testid olid positiivsed mikroobide osas, kuid jaama spektromeetrid ei suutnud tuvastada ühtegi orgaanilist ainet. Kaks eelistatuimat selgitust on, et jaamas toimusid keemilised reaktsioonid vesinikperoksiidi või osooniga, mille tekitas ultraviolettkiirgus või atmosfääris tolmutormide ajal toimuvad elektrilised protsessid.
DECA.
Laskumiskaamera (DECA) pidi plaanide kohaselt pildistama laskumise ajal Marsi pinnast umbes 15 fotot. Pildistamine pidi algama pärast kuumuskilbi eraldumist ning kuna maandur pidi DECA pildistatud fotod Maale saatma pärast maandumist, siis hävisid need koos Schiaparelliga. Ülekande viivitamise põhjustas soov kaitsta maandurit ja informatsiooni staatilise elektri eest. Kaamera diameeter oli 9 cm ja see kaalus 600 grammi. DECA ehitati Belgias.
DECA peamised eesmärgid olid:
Muud seadmed.
Elekter.
Projekteerimise ajal pakkus Roskosmos, et varustab Schiaparelli 100 W radioisotoopgeneraatoriga, et võimaldada maanduril jälgida ühe Marsi aasta jooksul kohalikku ilma. Plaan jäi teostamata Venemaa keeruliste ekspordireeglite tõttu ning seetõttu otsustati kasutada mittelaetavat akut. Insenerid kaalusid ka päikesepaneelide kasutamist, kuid 2010. aastatel oli ESA otsustanud, et maanduri missioon kestab paar päeva ning keskendutakse maandumissüsteemide katsetamisele.
Side.
Schiaparelli pardal oli UHF-raadio, et suhelda Marsi tehiskaaslastega. Maanduril oli suhtluseks kaks antenni, millest üks asus kuumuskilbi tagaküljel ja teine maanduri küljes. Kosmosesondidega suhtlus sõltus sondi orbiidist ning mitte iga tehiskaaslane ei saanud maanduriga suhelda, sest mõne sondi orbiit oli selline, et maandur jäi nende suhtes Marsi horisondi taha. Schiaparelli lülitus normaalrežiimile poolteist tundi enne maandumist ja pidevat andmete ülekannet alustas maandur 15 minutit enne maandumist.
Schiaparelli maandumist jälgisid Indias asuv Giant Metrewave Radio Telescope ja ESA kosmosesond Mars Express. 19. oktoobril 2016 kulus raadiosignaalidel Maale jõudmiseks 9 minutit ja 47 sekundit ning Schiaparelli maandumine võttis aega kuus minutit. See tähendas seda, et kui Maale jõudsid esimesed signaalid maandumise algusest oli kogu maandumine selleks ajaks tegelikult lõppenud.
Arvuti.
Schiaparelli maanduril oli kaks arvutit, Central Terminal &amp; Power Unit (CTPU), mis asus maanduri peal soojustatud kastis ja Remote Terminal &amp; Power Unit (RTPU), mis asus maanduri all. CTPU pidi plaanide kohaselt töötlema Marsi pinnal toimuvate operatsioonide infot ning RTPU töötles laskumise ajal saabuvat infot. CTPU töötles ka sideantenni kaudu saabuvaid käske ja RTPU vastutas maanduri töö eest ajal, mil see oli kinnitatud emalaeva külge.
Langevari.
Langevarju avas pürotehniline mortiir, mis heitis avaneva langevarju maandurist 27 meetri kaugusele. Langevarju katsetati eelnevalt NASA tuuletunnelis ja vähendatud koopiat testiti 2011. aastal ka Maa atmosfääris. Vähendatud koopia testimisel viidi langevari õhupalliga 24,5 km kõrgusele, kus õhupall vabastas oma kandami. Sama katse ajal testiti ka langevarju avamismehhanismi. Maanduri saadetud info kinnitas, et langevari töötas Marsi pinnal ettenähtult, kuid heideti liiga vara ära.
Tõukurid.
Schiaparelli pardal oli kolme komplekti jaotatuna üheksa tõukurit, mis käivitusid umbes 1 kilomeetri kõrgusel. Tõukurid pidid maanduri kiiruse vähendama 70 meetrilt sekundis (252 km/h) 4 meetrini sekundis (14 km/h). Iga tõukur oli CHT-400 rakettmootor, mis suutis toota tõukujõudu 400 njuutonit. Tõukurite kütuseks oli hüdrasiin ja see oli jaotatud kolme paaki, millest igaüks hoidis umbes 15–16 kg kütust. Tõukurid pidid välja lülituma 1–2 meetri kõrgusel Marsi pinnast ja pärast seda pidi maandur viimased meetrid läbima vabalangemisel.
Ebaõnnestumise mõju ExoMarsile.
Detsembris 2016 toimunud ESA ministrite nõukogu kohtumisel oli kaalumisel programmi peatamine. Peamine murekoht oli, et 2020. aastal Marsile saadetav kulgur kasutab sama maandumissüsteemi, mida kasutas ka Schiaparelli ja maanduri hävimise tõttu oli selle töökindlus küsitav. Lisaks oli õnnetuse tõttu kaheldav, et ESA liikmesriigid lisavad ExoMarsi eelarvesse 300 miljonit eurot.
ExoMarsi meeskonda on kiidetud juhtunust hoolimata rahulikuks jäämise ning TGO eduka Marsi orbiidile sisenemise esile toomise eest. Lisaks kiideti meeskonda, et enne kulguri Marsile saatmist, otsustati maandumissüsteeme reaalselt katsetada. Schiaparelli ebaõnnestumise põhjuste välja selgitamine on oluline, sest seejärel saab tulevased missioonid projekteerida teistmoodi ja see mõjutab ka avalikku arvamust ning isegi missiooni meeskonnaliikmete tundeid. Näiteks Beagle 2, mis üritas Marsile maanduda 2003. aastal, jäi kadunuks ja peamiseks versiooniks sai, et see ei elanud Marsi atmosfääri sisenemist üle või kukkus Marsi pinnale puruks. Maandur leiti üles 2015. aastal ja alles siis sai kinnituse fakt, et tegelikult oli peaaegu kõik õnnestunud, sest maandur jõudis Marsi pinnale ning ebaõnnestumise põhjustasid osaliselt mitteavanenud päikesepaneelid, mis blokeerisid sellega side. Beagle 2 projektijuht Colin Pillinger sai projekti eest ränka kriitikat ning missiooni isegi naeruvääristati. Pillinger suri vähem kui aasta enne maanduri leidmist.
Schiaparelli õnnetuse esialgne raport avaldati 2016. aastal ESA ministrite nõukogu istungil ning detsembris otsustati, et ExoMars jätkub, ja selle tarbeks eraldati 436 miljonit eurot.