Пакет теплового потока и физических свойств

Научный прибор марсианского посадочного модуля InSight
Пакет теплового потока и физических свойств( 3 л.с. )
Художественное представление HP 3 на поверхности Марса.
ОператорНАСА
ПроизводительНемецкий аэрокосмический центр (DLR)
Тип инструментаинфракрасный радиометр , датчик
теплопроводности
ФункцияГеофизика Марса
Продолжительность миссии2 года на Марсе (планируется)
Начало работыПриземление: 26 ноября 2018 г.
Веб-сайтmars.nasa.gov/insight/mission/instruments/hp3/
Характеристики
Масса3 кг (6,6 фунта)
Потребляемая мощность2 Вт
Космический корабль-носитель
Космический корабльМарсианский посадочный модуль InSight
ОператорНАСА
Дата запуска5 мая 2018, 11:05 UTC ( 2018-05-05UTC11:05 ) 
РакетаАтлас V 401 [1]
Стартовая площадкаВанденберг SLC-3E [1]
ИДЕНТИФИКАТОР КОСПАР2018-042А

Пакет теплового потока и физических свойств ( HP 3 ) — это научная полезная нагрузка на борту посадочного модуля InSight , которая включает в себя приборы для изучения теплового потока и других тепловых свойств Марса . Один из приборов, роющий зонд, прозванный «кротом», был разработан для проникновения на глубину 5 м (16 футов) под поверхность Марса. В марте 2019 года крот зарылся на несколько сантиметров, но затем не смог продвинуться вперед из-за различных факторов. В следующем году были предприняты дальнейшие попытки решить проблемы, но с небольшим чистым прогрессом. [2] 14 января 2021 года было объявлено, что попытки бурения марсианской поверхности с помощью устройства были прекращены. [3]

HP 3 был предоставлен Немецким аэрокосмическим центром (DLR). Ударный механизм внутри крота был разработан польской компанией Astronika и Центром космических исследований Польской академии наук по контракту и в сотрудничестве с DLR. [4] [5]

Главным исследователем является Тильман Шпон из Немецкого аэрокосмического центра. [6] [7]

Обзор

Анимация обзора HP 3

Целью миссии было понять происхождение и разнообразие планет земной группы . [6] Ожидалось, что информация от пакета теплового потока HP 3 покажет, образовались ли Марс и Земля из одного и того же материала, и определит, насколько активны внутренние части Марса сегодня. [6] [7] [8] [9] Дополнительные научные цели включали определение толщины коры Марса, состава его мантии и тепловых характеристик внутренних частей, таких как температурный градиент и тепловой поток. [10]

Вместе с сейсмометром миссия оценит размер ядра Марса и то, является ли ядро ​​жидким или твердым. [11] Вибрации, создаваемые кротом, отслеживались SEIS, чтобы узнать о местных недрах. [12]

В дополнение к «кроту» HP 3 включает в себя инфракрасный радиометр (HP3-RAD), установленный на посадочной платформе, также предоставленный DLR. [13] [14] [15]

     
Схема, показывающая компоненты HP 3

Датчик теплового потока HP 3 состоит из следующих подсистем: [16]

  • Опорная конструкция (ОС) — корпус, включающий в себя:
    • Инженерный трос (ET) для связи между опорной конструкцией и посадочным модулем
    • Science Tether (TEM-P) — гибкая печатная плата с 14 платиновыми термометрами сопротивления для измерения тепловых свойств реголита.
    • Монитор длины троса (TLM) — оптический измеритель длины для измерения развернутой длины научного троса.
  • Инфракрасный радиометр (HP3-RAD) для измерения температуры поверхности.
  • Электронный блок управления Back End Electronics (BEE)
  • Пенетрометр для рытья нор под поверхностью
    • Датчик активной теплопроводности ТЕМ-А
    • Наклономер STATIL для определения ориентации и направления крота.

Разработка

HP 3 перед запуском. Слева направо: мол, научный трос, опорная конструкция и инженерный трос.

HP 3 был задуман Громовым В.В. и др. в 1997 году [4] [17] и впервые запущен в качестве инструмента PLUTO во время неудачной миссии марсианского посадочного модуля Beagle 2 в 2003 году . [4] HP 3 получил дальнейшее развитие и был предложен в 2001 году для миссии к Меркурию [18] , в 2009 году Европейскому космическому агентству как часть полезной нагрузки Humboldt на борту посадочного модуля ExoMars [19] [18] в 2010 году для миссии к Луне [20], а в 2011 году он был предложен программе NASA Discovery в качестве полезной нагрузки для марсианского посадочного модуля InSight , известного в то время как GEMS (Geophysical Monitoring Station). [8] InSight был запущен 5 мая 2018 года и приземлился 26 ноября 2018 года.

Пенетрометр для кротов

Крот описывается как «самозабивной гвоздь» и был разработан для того, чтобы зарываться под поверхность Марса, таща за собой трос со встроенными нагревателями и датчиками температуры. Целью было измерить тепловые свойства недр Марса и таким образом раскрыть уникальную информацию о геологической истории планеты. [4]

Роющий крот представляет собой заостренный цилиндр с гладкой внешней поверхностью длиной около 35 см (14 дюймов) и диаметром 3,5 см (1,4 дюйма). Он содержит нагреватель для определения теплопроводности во время спуска, и он тянет за собой трос, оснащенный точными тепловыми датчиками, размещенными с интервалом 10 см (3,9 дюйма) для измерения температурного профиля под поверхностью. [6] [7]

Блок проникающего устройства предназначен для размещения вблизи посадочного модуля на участке длиной около 3 м и шириной 2 м. [21] Общая масса системы составляет приблизительно 3 кг (6,6 фунта), и она потребляет максимум2  Вт· с, пока крот активен. [7]

Для перемещения крот использует двигатель и коробку передач (предоставленные Maxon ) и кулачковый ролик, который периодически нагружает пружину, соединенную со стержнем, который функционирует как молот. После освобождения от кулачка молот ускоряется вниз, чтобы ударить по внешнему корпусу и вызвать его проникновение через реголит . Тем временем подавляющая масса движется вверх, и ее кинетическая энергия компенсируется гравитационным потенциалом и сжатием тормозной пружины и проволочной спирали на противоположной стороне крота. [4]

В принципе, каждые 50 см (20 дюймов) зонд выдает импульс тепла, а его датчики измеряют, как тепловой импульс изменяется со временем. Если материал коры является теплопроводником, например металлом, импульс будет быстро затухать. [7] Сначала кроту дают остыть в течение двух дней, затем его нагревают примерно до 10 °C (50 °F) в течение 24 часов. Датчики температуры внутри троса измеряют, насколько быстро это происходит, что сообщает ученым теплопроводность почвы. [22] Вместе эти измерения дают скорость потока тепла изнутри.

Первоначально предполагалось, что кроту HP 3 потребуется около 40 дней, чтобы достичь глубины 5 м (16 футов), [23] но в конечном итоге он достиг всего нескольких сантиметров после более чем года усилий. Когда крот роет нору, он генерирует вибрации, которые может обнаружить SEIS, что, как надеялись, даст информацию о недрах Марса. [12]

Попытки проникновения

В марте 2019 года HP 3 начал зарываться в поверхностный песок, но остановился через несколько сантиметров из-за того, что изначально считалось большим камнем. [24] Дальнейший анализ и тестирование с использованием модели-реплики на Земле показали, что проблема может быть связана с недостаточным трением. В июне 2019 года было обнаружено больше доказательств этого, когда опорная конструкция была поднята с мола HP 3. Марсианский реголит, по-видимому, был сжат, оставив зазор вокруг зонда.

Была реализована технология, при которой роботизированная рука посадочного модуля нажимала на почву около зонда, чтобы увеличить трение о почву. [25] [26] [27] [28] В конечном итоге этот метод не смог создать достаточной силы, направленной вниз, поскольку зонд HP 3 находился на пределе диапазона руки. [28]

Вместо этого команда использовала роботизированный ковш, чтобы прижать зонд к краю его отверстия. Этот метод изначально казался успешным, поскольку зонд продолжал копать в течение двух недель, пока не оказался вровень с поверхностью. [29] [30] В это время открытая верхняя часть зонда была слишком мала для того, чтобы ковш мог на нее надавить, поэтому ковш был перемещен так, чтобы он надавливал на почву рядом с зондом. К сожалению, это заставило зонд снова выдвинуться из-за необычных свойств почвы и низкого атмосферного давления. [31] Когда зонд подпрыгивал, рыхлая почва заполняла область под ним и снова наполовину поднимала зонд. [32] В январе 2020 года команда снова использовала метод закрепления, но снова зонд вылетел после того, как ковш был перемещен. [33]

В феврале 2020 года команда переоценила риски прямого толкания задней крышки крота с помощью роботизированного ковша и определила, что процедура приемлема. Процедура продвигалась медленно из-за необходимости переставлять ковш после каждогоПрогресс составил 1,5 см . В июне 2020 года верхушка крота достигла поверхности реголита. [34] Крот вошел в поверхность под углом 30 градусов от вертикали, но этот угол может уменьшиться при достижении большей глубины. [35]

В июле 2020 года выяснилось, что крот подпрыгивал на месте, под ковшом, что говорит о недостаточном трении для продолжения рытья. Предложенным решением было заполнить яму песком, чтобы распределить давление от роботизированного ковша, тем самым увеличив трение. Эта процедура была выполнена в начале августа 2020 года. [36]

В конце августа 2020 года тест показал положительные результаты. Ковш прикладывал направленную вниз силу к песку, который покрывал мол, в то время как производились удары молотком. Этот тест привел к нескольким миллиметрам прогресса [37] и в конечном итоге захоронил инструмент. В октябре 2020 года верхняя часть мола оказалась ниже поверхности Марса, и было принято решение соскоблить еще два ковша реголита и утрамбовать его роботизированным ковшом. [38] Работы по молотку были запланированы на январь 2021 года.

Последние попытки погрузить зонд глубже состоялись 9 января 2021 года; после того, как они оказались безуспешными, было принято решение прекратить попытки копать глубже. 14 января 2021 года НАСА объявило, что, поскольку последняя попытка закопать «крота» не удалась, команда сдалась, а часть миссии с тепловым зондом была объявлена ​​завершенной. Ведущий ученый эксперимента Тилман Спон сказал, что «Марс и наш героический крот остаются несовместимыми». [39] Научная группа определила, что свойства почвы в месте посадки слишком отличаются от тех, для которых был разработан инструмент. Команда пробовала много разных средств в течение нескольких лет, чтобы заставить крота зарыться, но в конечном итоге попытки не достигли целевой глубины. Трения между почвой и зондом было недостаточно, чтобы крот забился глубже.

Крот действительно полностью зарылся; верхняя часть крота находится на 2–3 сантиметра ниже поверхности Марса (при длине самого крота около 40 сантиметров глубина, таким образом, составила около 43 сантиметров). Для того чтобы иметь возможность производить полезные тепловые измерения, минимальная требуемая глубина была указана как минимум 3 метра. [ необходима цитата ]

Несмотря на неудачу, операции крота действительно многому научили команду миссии о почве на месте Insight, о проведении раскопок/бурения на Марсе и об управлении роботизированной рукой посадочного модуля. Усилия по спасению крота использовали руку способами, которые не были запланированы до миссии. Сейсмометр ( SEIS ), радиоэксперимент ( RISE ) и метеорологические приборы ( TWINS ) продолжали работать до конца декабря 2022 года. [40]

Попытки HP 3 проникнуть на поверхность Марса
  • Инженерный анализ крота после первоначальной проблемы показал, что его дно находилось примерно на 12–14 дюймов (30–36 см) в глубине марсианского грунта, а часть его верхней части все еще находилась внутри опорной конструкции HP3.
    Инженерный анализ крота после первоначальной проблемы показал, что его дно находилось примерно на 12–14 дюймов (30–36 см) в глубине марсианского грунта, а часть его верхней части все еще находилась внутри опорной конструкции HP 3 .
  • Компоненты HP3 от Insight после подъема опорной конструкции от крота. На этом изображении показана область сжатого реголита вокруг пенетрометра Mole.
    Компоненты HP 3 от Insight после подъема опорной конструкции от крота. На этом изображении показана область сжатого реголита вокруг пенетрометра Mole.
  • Первоначальный успех метода закрепления запечатлен в этом покадровом видео, на котором показано, как зонд внедряется в реголит.
    Первоначальный успех метода закрепления запечатлен в этом покадровом видео, на котором показано, как зонд внедряется в реголит.
  • HP3 виден отступившим примерно на полпути от вырытой им норы.
    HP 3 виден отступающим примерно на полпути от вырытой им ямы.
  • Посадочный модуль Insight использует свой ковш для нажатия на заднюю крышку модуля HP3.
    Посадочный модуль Insight использует свой ковш для нажатия на заднюю крышку модуля HP 3 .
  • Крот HP3 на поверхности Марса с ковшом посадочного модуля, нажимающим на его заднюю крышку.
    Аппарат HP 3 на поверхности Марса с ковшом посадочного модуля, нажимающим на его заднюю крышку.
  • Крот, засыпанный песком с помощью роботизированного ковша
    Крот, засыпанный песком с помощью роботизированного ковша
  • Mars InSight Lander - "Mole" - Последние усилия (9 января 2021 г.)
    Mars InSight Lander - "Mole" - Последние усилия
    (9 января 2021 г.)

Инфракрасный радиометр HP3-RAD

HP 3 включает в себя инфракрасный радиометр для измерения температуры поверхности, предоставленный DLR и основанный на радиометре MARA для миссии Hayabusa2 . [13] [14] [15] HP3-RAD использует термобатарейные детекторы для измерения трех спектральных диапазонов:8–14 мкм ,16–19 мкм и7,8–9,6 мкм . [41] Масса HP3-RAD составляет 120 г (4,2 унции). [41]

Детектор был защищен съемной крышкой во время посадки. [41] Крышка также служит калибровочной целью для прибора, поддерживая калибровку HP3-RAD на месте. [41]

Инфракрасные радиометры были отправлены на Марс в 1969 году в качестве одного из четырех основных инструментов на пролетных космических аппаратах Mariner 6 и Mariner 7 , и наблюдения помогли инициировать научную революцию в знаниях о Марсе. [42] [43] Результаты инфракрасных радиометров Mariner 6 и 7 показали, что атмосфера Марса состоит в основном из углекислого газа (CO2 ) , и выявили следовые количества воды на поверхности Марса . [42]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Clark, Stephen (19 декабря 2013 г.). "Mars lander to launch from California on Atlas 5 in 2016". Spaceflight Now . Получено 20 декабря 2013 г. .
  2. ^ "NASA использует роботизированную руку InSight для доставки теплового зонда на Марс - ExtremeTech". www.extremetech.com . 19 марта 2020 г. . Получено 22 марта 2020 г. .
  3. ^ Данн, Марсия (14 января 2021 г.). «RIP: Mars digger bite the dust after 2 years on Red planet». Associated Press . Получено 14 января 2021 г.
  4. ^ abcde Ударный механизм для эксперимента HP3 (InSight). (PDF) Ежи Григорчук1, Лукаш Вишневский1, Бартош Кендзёра1, Мацей Борис, Рафал Пшибыла1, Томаш Куциньский1, Мацей Оссовски, Войцех Кониор, Олаф Кремер, Тильман Спон, Марта Токарж и Матеуш Бялек. Европейский симпозиум по космическим механизмам и трибологии ; 2016.
  5. ^ "Польский КРЭТ полетит на Марс". Наука в Польше . Получено 5 мая 2018 г.
  6. ^ abcd Банердт, В. Брюс (2012). InSight – Геофизическая миссия на Марс (PDF) . 26-е заседание аналитической группы Программы исследования Марса. 4 октября 2012 г. Монровия, Калифорния.
  7. ^ abcde "Heat Probe | Instruments". InSight Mars Lander от NASA . Получено 13 апреля 2020 г.
  8. ^ ab Grott, M.; Spohn, T.; Banerdt, WB; Smrekar, S.; Hudson, TL; et al. (октябрь 2011 г.). Измерение теплового потока на Марсе: пакет теплового потока и физических свойств на GEMS (PDF) . Совместное заседание EPSC-DPS 2011 г. 2–7 октября 2011 г. Нант, Франция. Bibcode : 2011epsc.conf..379G. EPSC-DPS2011-379-1.
  9. ↑ Agle, DC (20 августа 2012 г.). «Новые сведения о Марсе ожидаются от новой миссии NASA». NASA. Архивировано из оригинала 29 июня 2017 г. Получено 16 июля 2018 г.
  10. ^ mars.nasa.gov. "Goals | Science". InSight Mars Lander от NASA . Получено 3 сентября 2019 г.
  11. ↑ Кремер, Кен (2 марта 2012 г.). «NASAs Proposed 'InSight' Lander would Peer to the Center of Mars in 2016». Universe Today . Получено 27 марта 2012 г.
  12. ^ ab mars.nasa.gov. "Surface Operations | Timeline". InSight Mars Lander от NASA . Получено 24 декабря 2018 г.
  13. ^ ab Banerdt, W. Bruce (7 марта 2013 г.). InSight: геофизическая миссия к недрам земной планеты (PDF) . Комитет по астробиологии и планетной науке. 6–8 марта 2013 г. Вашингтон, округ Колумбия
  14. ^ ab "InSight: In Depth". Исследование Солнечной системы . NASA . Получено 2 февраля 2018 г.
  15. ^ ab Grott, M.; et al. (Июль 2017 г.). «Радиометр MASCOT MARA для миссии Hayabusa 2». Space Science Reviews . 208 ( 1– 4): 413– 431. Bibcode : 2017SSRv..208..413G. doi : 10.1007/s11214-016-0272-1. S2CID  118245538.
  16. ^ "HP3 heat flow probe". Портал DLR . Получено 4 июня 2020 г.
  17. ^ Громов В.В. и др.: Мобильный пенетрометр, «крот» для исследования подповерхностных грунтов. В трудах 7-го Европейского симпозиума по космическим механизмам и трибологии. 1997.
  18. ^ ab Пакет теплового потока и физических свойств для поверхности Меркурия. Тилман Спон, Карстен Сейферлин. Планетная и космическая наука 49(14-15):1571-1577 Декабрь 2001. doi :10.1016/S0032-0633(01)00094-0
  19. ^ HP3 на ЭкзоМарсе. Краузе, К.; Иззо, М.; Ре, Э.; Мельс, К.; Рихтер, Л.; Косте, П. Генеральная ассамблея EGU 2009 г., состоявшаяся 19–24 апреля 2009 г. в Вене, Австрия.
  20. ^ Измерение теплового потока на Луне — Пакет теплового потока и физических свойств HP3. (PDF) T. Spohn, M. Grott L. Richter, J. Knollenberg, SE Smrekar и группа по прибору HP3. Наземная геофизика на Луне (2010). Лунный и планетарный институт, конференция 2010.
  21. ^ "Развертывание инструментов - SEIS / Mars InSight". www.seis-insight.eu . Получено 26 декабря 2018 г. .
  22. ^ "NASA's InSight готовится измерить температуру Марса". NASA/JPL . 13 февраля 2019 г. Получено 13 апреля 2020 г.
  23. ^ "Surface Operations". InSight Mars Lander от NASA . Получено 13 апреля 2020 г.
  24. ^ Дикинсон, Дэвид (11 марта 2019 г.). «Mars Insight's "Mole" Hits a Snag». Sky & Telescope . AAS Sky Publishing, LLC . Получено 1 сентября 2019 г. .
  25. ^ Дикинсон, Дэвид (3 июля 2019 г.). «Стратегия возвращения посадочного модуля Mars Insight в буровой бизнес». Sky & Telescope . AAS Sky Publishing, LLC . Получено 31 августа 2019 г. .
  26. ^ "NASA's InSight раскрывает 'Mole'". NASA/JPL . Получено 31 августа 2019 г.
  27. ^ Дворски, Джордж (3 октября 2019 г.). «Вот как NASA может спасти чрезвычайно застрявший тепловой зонд InSight». Gizmodo . Получено 4 октября 2019 г.
  28. ^ ab Gough, Evan (18 октября 2019 г.). «Успех! NASA подтверждает, что Mole снова работает». Universe Today . Получено 19 октября 2019 г. .
  29. ^ Кусер, Аманда. «Марсианский посадочный модуль NASA может спасти своего застрявшего „крота“». CNET . Получено 14 октября 2019 г. .
  30. ^ Грейсиус, Тони (17 октября 2019 г.). «Mars InSight's „Mole“ Is Moveing ​​Again». NASA . Получено 19 октября 2019 г. .
  31. ^ mars.nasa.gov. «Mars InSight’s Mole Has partial backed out of Its Hole». Марсианский посадочный модуль InSight от NASA . Получено 28 октября 2019 г.
  32. ^ Палка, Джо (29 ноября 2019 г.). «Крот не роет Марс: инженеры НАСА пытаются выяснить, почему». NPR.org . Получено 29 ноября 2019 г.
  33. ^ "InSight попытается засунуть крота на поверхность Марса". SpaceNews.com . 21 февраля 2020 г. . Получено 25 февраля 2020 г. .
  34. ^ Spohn, Tilman (3 июня 2020 г.). «Журнал миссии InSight». Блоги DLR . Получено 4 июня 2020 г.
  35. ^ "InSight mole making slow progress into Martian surface". SpaceNews.com . 5 мая 2020 . Получено 7 мая 2020 .
  36. ^ Спон, Тилман (10 августа 2020 г.). «Миссия Mars InSight: Mole уже «в деле», а «финишные штрихи» уже «видны». Блоги DLR . Получено 7 сентября 2020 г.
  37. ^ "Операция NASA's Insight Mars Lander Rescue Operation Making Progress for Save the 'stuck' probe | TESLARATI". www.teslarati.com . 4 сентября 2020 г. . Получено 17 сентября 2020 г. .
  38. ^ Гоф, Эван (16 октября 2020 г.). «InSight's „Mole“ is Now Completely funeral!». Universe Today . Получено 19 октября 2020 г. .
  39. ^ Данн, Марсия (14 января 2021 г.). «RIP: Mars digger bite the dust after 2 years on Red planet». Associated Press . Получено 14 января 2021 г.
  40. ^ "NASA InSight's 'Mole' Ends Its Journey on Mars". Лаборатория реактивного движения. 14 января 2021 г. Получено 15 января 2021 г.
  41. ^ abcd Копп, Эмануэль; Мюллер, Нильс; Гротт, Матиас; Уолтер, Инго; Кнолленберг, Йорг; Ханшке, Франк; Кесслер, Эрнст; Мейер, Ханс-Георг (1 сентября 2016 г.). Стройник, Мария (ред.). «HP3-RAD: компактный радиометр с калибровкой на месте для исследований на месте» (PDF) . Инфракрасное дистанционное зондирование и приборостроение XXIV . 9973 : 99730Т. Бибкод : 2016SPIE.9973E..0TK. дои : 10.1117/12.2236190. S2CID  125699932.
  42. ^ ab "Инфракрасный спектрометр и исследование Марса". Американское химическое общество . Получено 26 декабря 2018 г.
  43. ^ Chdse, SC (1 марта 1969 г.). "Инфракрасный радиометр для миссии Mariner на Марс 1969 года". Applied Optics . 8 (3): 639. Bibcode : 1969ApOpt...8..639C. doi : 10.1364/AO.8.000639. ISSN  1559-128X. PMID  20072273.
  • Ударный механизм для эксперимента HP3 на борту InSight. (PDF)
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Пакет_теплового_потока_и_физических_свойств&oldid=1262412684"