Planeta roşie este un adevărat cimitir de nave spaţiale fără echipaj uman - două treimi din toate misiunile pe Marte au eşuat. În unele cazuri, inginerii sunt în măsură să afle de ce. Cheia este telemetria şi o înţelegere aprofundată a navelor spaţiale.
Cu uneltele potrivite, eşecurile acţionează ca adevărate lecţii, relevând încercări necunoscute, astfel încât greşelile făcute să nu mai fie repetate. Dar datele nu vin întotdeauna înapoi, lăsând inginerii cu foarte puţine informaţii de la care să pornească pentru a cerceta o misiune care nu reuşeşte. Scenariul cel mai prost, deloc neobişnuit, este pierderea totală a comunicaţiei cu un vehicul spaţial, fără nici o indicaţie despre ceea ce a mers prost. (Sus, redarea stilizată a navei ESA- Beagle 2, intrând în atmosfera marţiană.)
Două misiuni din ultimii 12 ani au eşuat chiar spectaculos: Mars Polar Lander (MPL) de la NASA şi Beagle 2 al Agenţiei Spaţiale Europene (ESA). Eşecurile lor au avut loc în situaţii foarte diferite, totuşi, o comparaţie a evenimentelor ilustrează importanţa testării de pre-lansare şi a telemetriei constante pentru succesul unei misiuni. Aceste două cazuri demonstrează, de asemenea, cantitatea de muncă necesară pentru aterizarea cu succes a unei nave spaţiale, în special atunci când ţinta este la milioane de kilometri depărtare.
Primele misiuni către Marte au făcut parte din cursă spaţială; programul NASA, Mariner, a zburat spre planetă, în 1960, înaintea programului Viking care a trimis două sonde fixe în 1976 (dedesubt).
Dar după ce Viking nu a reuşit să găsească semne evidente de viaţă, Marte a căzut din poziţia de favorită ca destinaţie pentru zborurile fără echipaj uman.
Cea mai mare parte a muncii efectuate pentru Marte de-a lungul anilor ‘80 a fost făcută în laboratoarele de pe Pământ, testând şi revizuind datele colectate de Viking 1 şi 2. Misiunile spre planeta roşie au fost reluate la începutul anilor 1990, urmărind plasarea unui satelit pe orbită în jurul planetei. După o primă încercare eşuată cu Mars Observer în 1992, Mars Global Surveyor a intrat cu succes pe orbită în jurul planetei Marte în 1997.
Interesul pentru Marte a fost reaprins în august 1996, atunci când oamenii de ştiinţă de la NASA au făcut o descoperire uimitoare - un meteorit găsit în Antarctica, stabilit ca fiind de origine marţiană, conţinea urme de bacterii fosilizate. Dintr-o dată Marte nu a mai fost doar o planetă moartă de mult timp, ci o planetă de mult moartă, dar plină cu vestigii ale vieţii îngropate sub suprafaţa sa.
În urma acestei descoperiri, s-au născut două misiuni: de la NASA, Mars Polar Lander şi de la ESA, sonda Beagle 2.
Mars Polar Lander (deasupra) a fost propus în 1994 ca parte a programului Mars Surveyor care a avut ca scop trimiterea unei nave spaţiale pe Marte la fiecare 26 de luni pentru o perioadă de un deceniu - MPL a fost desemnat să fie prima aterizare a programului, în decembrie 1999. Scopul său nu a fost de a găsi viaţă, ci mai degrabă de a înţelege istoria climei de pe Marte. Punctul său de aterizare a fost o zonă bănuită să fi avut la un moment dat umiditate - apa este, la urma urmei, unul din elementele de bază necesare pentru viaţă. Misiunea urmărea de asemenea identificarea tipurilor de mostre valoroase pentru a fi aduse acasă, aşa cum prevedea planul NASA pe termen lung pentru misiunile de aducere de eşantioane.
MPL a folosit acelaşi sistem de aterizare ca şi sondele Viking, cu motor de tip retrorachetă. În timpul călătoriei sale interplanetare, MPL era protejat într-o carcasă conică, la baza căreia era scutul termic, care proteja naveta de frecare, pe măsură ce începea intrarea în atmosferă. La 5.4 mile deasupra solului paraşuta principală se deschidea, încetinind nava spaţială de la 0,3 la 0,1 mile pe secundă. Cu coborârea încetinită, scutul termic era detaşat, scoţând la iveală sonda şi radarul de aterizare.
La 0,8 mile deasupra suprafeţei, naveta se separa de cupola carcasei - partea superioară a carcasei, care deţine paraşuta. Pornind retrorachetele sale situate dedesubt, sonda încetinea în continuare la o viteză de coborâre de 0,05 mile pe oră. La acest punct al secvenţei de aterizare, picioarele sondei se desfăşurau. Chiar înainte de aterizare, viteza de coborâre scădea aproape de staţionare - 0.001 de mile pe secundă. De îndată ce senzorii din picioarele de aterizare ale sondei detectau contactul cu suprafaţa, retrorachetele se opreau. MPL era setat să înceapă şederea sa pe suprafaţă. (În imaginea de mai jos este prezentată o concepţie artistică a etapei finale a coborârii lui Phoenix Mars Lander, care a folosit acelaşi concept cu retrorachete pentru a atinge suprafaţa.)
NASA a făcut verificări de rutină pe navă în timpul călătoriei sale interplanetare, şi pe măsură ce MPL se apropia de Marte se dovedea a fi într-o stare bună. Chiar înainte de intrarea în atmosferă, nava s-a reorientat singură perfect, intrând în perioada estimată de pierdere a comunicării cu sonda, antena nefiind orientată către Pământ de-a lungul secvenţei EDL (intrare, coborâre, aterizare). Contactul cu sonda era aşteptat aproximativ 45 de minute mai târziu, când era în condiţii de siguranţă la suprafaţă şi cu antena reorientată spre Pământ.
Dar transmisia aşteptată nu a mai revenit niciodată. NASA a încercat să contacteze sonda timp de mai multe săptămâni, dar fără nici un rezultat. Deşi eforturile ulterioare de contactare au continuat, MPL a fost declarată pierdută pe 17 ianuarie, 2000.
Satelitul Mars Global Surveyor care orbita în jurul lui Marte a început vânătoarea sondei pierdute nu la mult timp după pierderea legăturilor de comunicaţie cu aceasta, prin preluarea de imagini de la locul stabilit pentru aterizare. Nici chiar imaginile cu cele mai mari rezoluţii disponibile nu au furnizat dovezi clare despre sondă şi nici nu au aruncat vreo lumină asupra sorţii sale. (mai jos, prima imagine luată de satelitul MGS de la locul de aterizare al sondei Mars Polar).
Astfel a fost demarată o anchetă la NASA, mai exact la Jet Propulsion Laboratory (JPL), echipa care a construit de fapt sonda, pentru a investiga scenariile posibile ale sorţii MPL.
O problemă a fost imediat evidentă - lipsa datelor telemetrice colectate în timpul EDL (intrare, coborâre, aterizare) au lăsat NASA în beznă. Lipsa de telemetrie a fost o decizie conştientă. În efortul de a menţine costurile cât mai scăzute, tot ce era considerat de prisos pentru misiune a fost tăiat; directiva de la NASA a fost că "nu vor fi cheltuite resurse pentru eforturile care nu contribuie direct la aterizarea în condiţii de siguranţă pe suprafaţa lui Marte." Aceasta însemna că telemetria din timpul EDL, de altfel vitală inginerilor pentru înţelegerea fazei critice, dar fără consecinţe pentru aterizarea în fapt a navetei spaţiale, era inutilă.
Din fericire, NASA a făcut teste extinse pe fiecare componentă a lui MPL şi a putut reface mersul invers al problemei - folosind cunoştinţele lor asupra sistemelor pentru a determina eventualele defecte. Ancheta a fost împărţită în trei arii principale. În primul rând, o analiză a erorilor de sistem sau o evaluare a riscurilor cele mai importante ale misiunii; a doua - toleranţa la erori sau capacitatea sistemului de a face faţă situaţiilor negative, iar în al treilea rând, evaluarea marjelor sau determinarea marjelor de eroare dintre stările de sistem performant şi până la punctul în care cedează.
Utilizând aceşti trei factori, echipa de anchetă a fost capabilă să prezinte o serie de motive posibile pentru care sonda ar fi eşuat. Caracteristicile de denivelare ale suprafaţei ar fi putut afecta citirile radar, determinând sonda să ajungă jos, pe o suprafaţă neuniformă sau periculoasă. Scutul termic ar fi putut eşua din cauza unui defect de fabricaţie, a unui impact cu un micrometeorit sau pur şi simplu din cauza unor parametri de proiectare inadecvaţi. Un defect de proiectare ar fi putut cauza pierderea controlului şi stabilităţii sondei în stadiile terminale ale aterizării. Un dezechilibru între nivelurile de tracţiune din retrorachete ar fi rezultat într-o descentrare de masă şi ar fi adus sonda jos într-o poziţie irecuperabilă, cum ar fi cu picioarele în sus. Locul de aterizare putea să fi fost impropriu reuşitei, iar sonda s-ar putea să fi aterizat într-o prăpastie şi apoi să se rostogolească într-un abis necunoscut. Carcasa din spate ar fi putut ateriza pe partea de sus a sondei şi să o fi zdrobit. Pe cât de plauzibile erau aceste explicaţii, erau în contradicţie cu datele de test din timpul realizării MPL.
Un defect posibil, totuşi a fost susţinut şi de datele de test ale MPL, ancheta stabilind că cea mai probabilă cauză de eşec a fost o defecţiune la senzorul de aterizare. Fiecare dintre picioarele sondei se baza pe un senzor magnetic pentru a determina când se face contactul între navetă şi suprafaţa marţiană, ceea ce declanşa secvenţa de închidere a retrorachetelor. Fiecare senzor reacţiona la o hiperextensie a articulaţiei piciorului pe măsură ce greutatea sondei se lăsa pe el. Dar a existat un defect de proiectare a senzorilor.
În timpul călătoriei interplanetare, picioarele MPL au fost depozitate pliate. Forţa dezvoltată la declanşarea hiperextensiei pentru articulaţia fiecărui picior era la fel cu cea de la aterizare. Datele extrase din dezvoltarea MPL şi din testele de implementare au indicat că un fals semnal de aterizare se înregistra cu sistemele de la bordul sondei atunci când picioarele erau întinse, declanşând senzorii şi închizând retrorachetele. Software-ul nu a putut distinge între desfăşurarea picioarelor de aterizare şi o aterizare reală. (Stânga, picioarele lui Phoenix Mars Lander sunt văzute pliate sub corpul său, pentru călătoria interplanetară. Deşi nu e exact la fel ca în cazul Mars Polar Lander, avem o idee despre configuraţia picioarelor înainte de desfăşurare).
Comisia de anchetă a descris filmul cel mai probabil al cursului evenimentelor: Picioarele s-au desfăcut la 0.02 mile deasupra suprafeţei atunci când sonda cobora cu o viteză de 0.008 mile pe secundă. Căderea de la acea înălţime ar fi accelerat sonda la 0.01 mile pe secundă, la momentul impactului - mult mai rapid decât viteza de aterizare ideală de 0.001 mile pe secundă. Acest lucru ar explica şi starea bună a sondei înainte de EDL (intrare, coborâre, aterizare) şi lipsa totală de comunicare, de după aterizare. A fost, de asemenea, o problemă care putea fi prevenită. Un program software ar putea distinge între, să zicem, un semnal de contact scurt de la o articulaţie acţionată brusc sau un semnal prelungit de la o sondă în staţionare. Din păcate, nimeni nu a inclus un astfel de program în sistemele sondei.
Deşi MPL a fost pierdut, misiunea nu a fost un eşec complet - determinând cauza pierderii sondei, NASA a obţinut un indiciu despre cum să nu mai repete aceeaşi greşeală. Misiunea MPL a reînviat ca Mars Phoenix Lander la mijlocul anilor 2000, Phoenix a aterizat cu succes în apropierea apei subterane de lângă Polul Nord al lui Marte în 2008. (dedesubt, Mars Phoenix Lander la lansarea sa cu o rachetă Delta II).
Cu toate acestea, alte misiuni au ȋnregistratat eşecuri care nu au lăsat deloc indicii despre ceea ce nu a mers bine. O astfel de misiune a fost sonda Beagle 2 de la ESA, parte a programului Mars Express anunţat în 1997. Programată pentru lansare în 2003, sonda a fost concepută pentru a căuta viaţă, prin analize geochimice şi atmosferice. Nava a fost numită după Beagle, nava care l-a dus pe Darwin în Insulele Galapagos. Acesta a fost numele promisiunii grandioase că ESA va face pentru ştiinţa spaţială ceea ce Darwin a făcut pentru evoluţionism.
Beagle 2 (deasupra) a fost proiectată să aterizeze într-o zonă de pe Marte numită Isidis Planitia - un bazin sedimentar mare şi plat - în ziua de Crăciun a lui 2003. Alegerea locului de aterizare a fost făcută în mod deliberat. Acesta se află la o altitudine mică, acolo unde adâncimea atmosferei faţă de suprafaţă este cea mai mare. Acest lucru ar fi permis sondei să profite de frânarea naturală la intrarea în atmosferă, precum şi de o coborâre mai lungă cu paraşuta. Planificând utilizarea atmosferei în avantajul său, ESA a proiectat o metodă îndrăzneaţă pentru EDL (intrare, coborâre, aterizare).
Beagle 2 făcea călătoria interplanetară într-o carcasă de protecţie, la baza căreia se afla scutul termic, cel care protejează naveta la intrarea în atmosfera marţiană. După ce trecea prin atmosfera superioară, o paraşută de frânare se desfăşura pentru a începe încetinirea coborârii sondei. În acelaşi timp, sonda se separa forţat de carcasa de protecţie şi desprindea scutul termic. După eliberarea carcasei, paraşuta principală se desfăşura de la sine de pe Beagle 2.
La 0.1 mile deasupra suprafeţei, o serie de airbag-uri umflate în jurul sondei formau un înveliş de protecţie. La contactul cu suprafaţa, paraşuta se desprindea, iar sonda protejată de airbag-uri era liberă să sară şi să se rostogolească de-a lungul suprafeţei până când se oprea natural. Indiferent de poziţia sa de aterizare, un pivot deschidea învelişul ca o cochilie de scoică din jurul sondei, redresând-o automat şi expunând-o la mediul marţian.
Metoda era simplă, dar riscantă - pentru controlul coborârii sondei era prevăzută doar o singură paraşută, nimic altceva, iar pentru protecţie doar airbag-uri. Se poate argumenta că decizia de a alege acest mod de aterizare este punctul de la care au început problemele lui Beagle 2. La probleme s-a mai adăugat ritmul alarmant în care proiectul a progresat, ESA adoptând conceptul "mai bine, mai repede, mai ieftin", amintind de atitudinea de la NASA din anii 1980 şi astfel grăbind pregătirile.
De la început şi până la la livrare, paraşuta pentru Beagle 2 a fost realizată în 15 săptămâni. Paraşuta a fost construită de Astrium pentru a satisface standardele şi calităţile pentru modelele de zbor pe Marte.
O a doua paraşută a fost construită şi testată în deşertul Arizona, mediul cel mai asemănător cu condiţiile de pe Marte. Testul la prima coborâre a fost un succes, aşa cum au fost şi aterizările suplimentare din decursul următoarelor două săptămâni. La fel de reuşită a fost o demonstraţie de extragere rapidă a paraşutei din ambalajul său la viteze de până la 90 de mile pe oră. La final s-a făcut un test de rezistenţă al paraşutei cu o metodă simplă, dar dură, aceea de remorcare a paraşutei în spatele unui camion.
Airbag-urile folosite pentru amortizarea impactului real la aterizare şi în timpul călătoriei de-a lungul suprafeţei planetei au fost testate o singură dată - configuraţia a fost lăsată să cadă direct pe o suprafaţă plană.
Aceste teste au decurs perfect, dar cu greu se poate spune că au supus paraşuta şi airbag-urile de debarcare, la rigorile cu care s-ar fi putut confrunta pe Marte. O parte a problemei este şi imposibilitatea de a simula o aterizare pe Marte - o problemă fascinantă, pe care o vom aborda într-un articol ulterior.
Dar problema cea mai frapantă este limitarea testărilor de către ESA. Toate testele de aterizare au fost efectuate în două săptămâni. Testele de extracţie şi de remorcare, precum şi testarea airbag-urilor, s-au făcut, fiecare în parte, o singură dată. Pentru comparaţie, atunci când NASA a testat airbag-urile care au livrat Spirit şi Opportunity pe Marte, airbag-urile s-au testat la cădere de sute de ori, la unghiuri diferite, pe suprafeţe plane şi pe pietre. Numai atunci când nici un test nu a mai evidenţiat vicii, sistemul a fost considerat gata de zbor. Iar sistemul s-a comportat frumos în timpul misiunii. (dedesubt, o fotografie cu multi-expunere a unui test de cădere cu airbag-uri pentru misiunea Mars Pathfinder din 1997, realizată ȋn 1995).
Din păcate, nu la fel se poate spune despre Beagle 2. Ultimul contact pe care l-a avut ESA cu sonda a fost pe 19 decembrie, când s-a despărţit de ambarcaţiunea de transport Mars Express. La vremea aceea, sonda era în bună stare şi toate sistemele necesare pentru efectuarea EDL (intrare, coborâre, aterizare) erau în limitele necesare unei aterizări în condiţii de siguranţă.
Apoi s-a aşternut tăcerea.
Sonda nu comunica de fapt în mod direct cu Pământul. În schimb, comunicarea trecea printr-o terţă parte, nava spaţială – deci modul principal de comunicare a fost prin intermediul navei spaţiale Mars Express. Un mod de comunicare secundar a fost prin intermediul satelitului Mars Odyssey, dar erau şanse mici ca Observatorul Jodrell Bank de lângă Manchester să fi putut să fie capabil să recepţioneze un semnal atât de slab de la nava spaţială. Nici nava care orbita, nici observatorul nu au putut livra informaţii cu privire la Beagle 2. Imaginea orbitală luată de la zona de aterizare planificată nu a dezvăluit nici ea soarta sondei, şi cu testele atât de limitate au existat prea multe motive posibile pentru care misiunea putea să fi eşuat, astfel că inginerii n-au fost capabili să identifice o singură cauză a eşecului.
Destinul sondelor NASA- Mars Polar Lander şi ESA - Beagle 2 ilustrează nu numai importanţa unei testări riguroase şi a cunoaşterii aprofundate a navelor spaţiale, dar şi pe cea a menţinerii unui mijloc de comunicare cu nava spaţială. Următoarea misiune NASA pe Marte, Mars Science Laboratory (MSL), va avea un plan EDL (intrare, coborâre, aterizare) şi mai îndrăzneţ.. Cu viitorul explorărilor pe Marte depinzând de succesul acestei misiuni - dar aceasta este o altă poveste care merita spusă separat - scenariul cel mai rău ar fi ca nava să dispară, fără nici o indicaţie despre motivul eşecului său. MSL este programat pentru lansare în noiembrie 2011 şi va ajunge pe Marte în vara anului 2012. Nu e nimic de făcut decât să aşteptăm şi să vedem ce se întâmplă.
Referinţe:
1. Fredric W. Taylor. The Scientific Exploration of Mars. Cambridge. 2010.
2. Steve Squyres. Roving Mars. Hyperion. 2006.
3. Andrew Mishkin. Sojourner: An Insider’s View of the Mars Pathfinder Mission. Berkley Trade. 2004.
4. ESA’s site about Beagle 2.
5. “NASA JPL Mars Phoenix Lander HD Animation”: https://www.youtube.com/watch?v=KHAsRjcLP4o [Accessed March 25, 2011]
6. “1998 Mars Missions. Press Kit, December 1998″ NASA.
7. “Report on the Loss of the Mars Polar Lander and Deep Space 2 Missions; JPL Special Review Board” JPL. 2002.
Textul este traducerea articolului A tale of two landers
Traducere: Mihaela Gindu-Gabaroi
