NASAn uusin Mars-luotain Insight on laskeutunut
onnistuneesti Marsin Elysium tasangolle, lähelle Marsin ekvaattoria planeetan
länsiosassa. Avaruusmatka oli kestänyt noin puoli vuotta, sillä matkaan luotain
laukaistiin toukokuun 5. päivänä Ilmavoimien Vanderbergin laukaisukeskuksesta
Kaliforniasta.
|
Insight-luotain Marsin pinnalla. Havainnekuva NASA. |
Laskeutuminen oli koko lennon vaikein vaihe, sillä se on
monivaiheinen ja kaikkien laitteiden täytyy suoriutua tehtävästään
täydellisesti. Luotain saapui Marsin ilmakehään hyvin suurella nopeudella (5,5
km/s). Vaikka Marsin ilmakehä on tiheydeltään vain 1 % maapallon ilmakehästä,
se vastustaa samalla tavalla avaruudesta putoavien kappaleiden liikettä. Ilman
kompressoituu ja kuumentaa laskeutuvan luotaimen ympärillä olevia kaasuja
useiden tuhansien asteiden lämpötilaan ja tältä kuumuudelta tutkimuslaitteisto
oli suojattu lämpökilvillä.
Lämpökilven etureuna kohtaa suurimman kuumuuden, jolloin se
kuumenee korkeaan lämpötilaan. Lämpökilpi on kuitenkin ablatiivinen eli se
haihtuu ja kuten tunnettua, haihtuminen sitoo lämpöä. Näin tässäkin
tapauksessa, lämpökilven haihtuminen ja kuluminen mahdollisti hyötykuorman
säilyvän toimintakuntoisena ja lämpötilaltaan normaalina.
Lämpökilvin suojattuna luotain laskeutui Marsin ilmakehässä
yliääninopeudella, kunnes vauhti oli alentunut riittävästi, jotta laskuvarjo voitiin
avata. Tämä tapahtui noin 11 km korkeudessa, jolloin laskeutumisnopeus oli noin
385 m/s. Heti laskuvarjon avauduttua, nyt tässä vaiheessa ylimääräisenä painolastiksi
muuttunut lämpösuoja poistettiin noin 10 km korkeudella ja laskutelineinä
toimivat luotaimen kolme jalkaa vapautettiin. Laskeutumistutka käynnistyi noin
6 km korkeudella.
Laskeutumisen viimeinen vaihe käynnistyi siinä vaiheessa,
kun laskeutuminen oli edennyt noin 1 km korkeuteen. Laskeutumisvauhti oli
pudonnut tässä vaiheessa noin 60 m/s. Silloin laskuvarjo ja siihen vaijerilla kiinnitettynä
ollut yläpuolinen lämpösuoja irtosivat. Välittömästi tämän jälkeen luotaimen kaksitoista
jarrurakettia käynnistyi. Jarruraketteja pystyttiin säätämään lennon edistyessä
ja itse luotainta käännettiin niin, että aurinkopaneelit tulivat mahdollisimman
edulliseen asentoon (itä-länsisuuntaan) sähköenergian turvaamiseksi. Oikea
asento varmisti, että luotaimen työkalut kuten käsivarsi ei varjosta paneeleita.
Laskeutumisvauhti oli 7,7 m/s noin 50 metrin korkeudella ja
lähestyminen tapahtui vakionopeudella. Kosketus Marsin pintaan tapahtui vielä
hitaammalla vauhdilla noin 15 sekuntia myöhemmin. Kohtaamisnopeus oli noin 2,24
m/s ja se otettiin vastaan laskutelineiden iskunvaimennuksen avulla.
Kaikki edellä kerrotut toimenpiteet olivat ohjelmoitu
luotaimen päätietokoneeseen, sillä yhteys Maahan pitkän viiveen vuoksi ei ollut
mahdollinen. Lisäksi tulipallona ilmakehään syöksyvä luotain ei olisi edes
saanut syntymään minkäänlaista radioyhteyttä, sillä hehkuva ja sähköäjohtava
plasma toimii erittäin tehokkaana radioyhteyksien estäjänä.
Laskeutumista seurattiin kahdella pienoisatelliitilla (CubeSat)
MarCO-A ja MarCo-B, jotka vietiin avaruuteen samalla kantoraketilla kuin
Insight-luotainkin. Pienoissatelliitit ovat 10 cm sivunmittaisia kuutioita ja
tarvitsemansa sähköenergia ne saavat avattavista aurinkopaneeleista. Niiden erikoisuus
on tietoliikenteeseen käytetty antennijärjestelmä, joka on muodoltaan taso.
Antennin rakenteen ansiosta radiolähetys on hyvin suunnattua, joten
pienoissatelliitti ei tarvitse massiivista ja suhteellisen tehotonta
lautasantennia tietoliikenteeseensä.
X-bandin tasoantenni ei ole ainoa antenni, vaan laitteessa
on myös avattava UHF-antenni, jonka avulla satelliitti seurasi Insight-luotaimen
laskeutumista. UHF-laitteisto pystyi vain ottamaan vastaan saapuvan signaalin
mutta X-bandin laitteistossa ovat molemmat: lähetin ja vastaanotin.
Molemmissa pienoissatelliiteissa on myös kamerat, jonka
laajakulmankameran kuvakentän laajuus on 139 astetta ja kapeakenttäisen kameran
kuvakenttä on 6,8 astetta laaja. Kamerat on suunnattu UHF-antennin suuntaan eli
kohti Marsia laskeutumisosan laskeutumisen aikaan. Kameroista MarCo-A:n kapeakenttäinen
kamera todettiin toimimattomaksi heti laukaisun jälkeen, joten tältä osin
matkassa oli hieman huonoa tuuria. Kaikkien kameroiden kuvan koko on
vaatimattoman tuntuisesti 752 × 460 pikseliä.
Pienoissatelliitit siis mahtuvat
kämmenelle, mutta niissä on paljon laitteita jo mainittujen kameroiden ja antenni-radiolaitteiden
lisäksi. Satelliitin varusteisiin kuuluu suunnistamisessa käytettävä
tähti-jäljitin, aurinkotunnistin, gyroskooppi ja reaktiopyörät, joiden avulla
säädetään satelliitin suuntausta ja asentoa. Satelliitin propulsiojärjestelmä
toimii paineistetulla kaasulla (R236FA,
hexafluropropaania), joka on sitä samaa
ainetta, jota käytetään kylmälaitteissa tai tietokonekeskusten
sammutinlaitteissa. Suuttimia yhdessä satelliitissa on kahdeksan kappaletta.
Satelliittien laitteiden kuntoa, lämpötilaa ja toimintaa valvottiin koko lennon
ajan Maasta Marsiin. Lämpötilan säätöön satelliiteissa on lämmittimiä, useita
lämpömittareita, lämpösuojia herkille laitteille ja jäähdyttimet liian lämmön
poistamiseen.
Kaiken kaikkiaan pienoissatelliitit ovat
täydellisiä tutkimusluotaimia, jotka oli suunniteltu lähinnä tarkkailemaan
Marsin laskeutunutta Insight-luotainta laskeutumisaikana. Vaikeus siinä oli
oikea ajoitus, satelliittien piti suorittaa Marsin ohilento sekunnilleen
oikeassa aikataulussa, jotta niistä olisi saatu suurin mahdollinen hyöty tutkijoiden
ja insinöörien käyttöön. Huomatkaa kuitenkin, että Insight-luotaimen
laskeutuminen tai toiminta ei ollut mitenkään riippuvaista pienoissatelliittien
toiminnasta tai olemassa olosta.
Insight-luotaimen tutkimuslaitteisto on hyvin monipuolinen.
Erityisen ilahduttavaa on, että laitteistoon on saatu mahdutettua seisminen
tutkimuslaitteisto, jolla voidaan jäljittää Marsissa tapahtuvia seismisiä
ilmiöitä (järistyksiä) ja määrittää havaittujen järistysaaltojen suunta ja
taajuus hyvin laaja-alaisesti. Seisminen laitteisto on koottu erilliseen
yksikköön, joka asetetaan Matsin kamaralle työkalukäsivarren avulla.
|
Seisminen tutkimuslaitteisto on nostettu käsivarren avulla laskeutuneen luotaimen viereen ja lämpötilaa mittaava laitteisto on kaivautunut marsperään. Kuva NASA. |
Seisminen tutkimuslaitteisto ei ole pelkästään monipuolinen
seismometri, vaan se myös voi tärisyttää Marsin kamaraa. Kamaran rakenne ja
liike tietysti havainnoidaan ja siitä tutkijat voivat päätellä hyvin monia
asioita marsperän rakenteesta, tiheydestä ja koostumuksesta.
Toinen ja aikaisemmin Marssiin lähettämätön
tutkimuslaitteisto on marsperän lämpöjakaumasta tehtävät mittaukset.
Mittauslaitteiston ydin on itsekaivautuva mittauselin, joka pyrkii mittaamaan
marsperän lämpöjakauman kerroksittain. Mittaus ulotetaan jopa 5 metrin
syvyyteen mutta onnistuakseen sen on kaivauduttava kuitenkin vähintään 3 metrin
syvyyteen.
Laitteistoon kuuluu myös lämmitin, jonka avulla tutkijat
pyrkivät selvittämään marsperän lämmönjohtavuuden. Eri syvyyksistä suoritettu
lämpötilamittaukset yhdessä lämmönjohtavuuden kanssa paljastavat lämpövuon
suuruuden, joka virtaa kohti Marsin pintaa. Tästä puolestaan on mahdollista
selvittää Marsin ytimen lämpötila ja mahdollisesti se, mikä on lämmön lähde ja
sitä tietä myös Marsin sisäinen rakenne.
Kolmas lennon päätavoitteista on selvittää Marsin
pyörimistä. Sen testaamiseen ei kuitenkaan tarvita erillistä laitteistoa, sillä
tarvittavat tiedot saadaan koottua luotaimen ja Maan välisen radioliikenteen
avulla. Marsin pyörimisakselin vähäiset muutokset näkyvät vastaanotetun
signaalin taajuuden hyvin vähäisenä muutoksena. Mars prekessoi samalla tavalla
kuin Maa, vaikkakin yhteen kierrokseen kuluu noin 165 000 vuotta (Maan
noin 26 000 vuotta). Prekessiotutkimuksen avulla voidaan määrittää Marsin rautasydämen
koko ja muita sen ominaisuuksia.
Marsin pyörimisen tarkkailuun sisältyy myös alle
vuodenmittaisen nutaation havaitseminen. Nutaattio on hyvin vähäistä ja vaikea
havaita. Maapallon pyörimisakselin suunta vaihtelee noin 10 metrin
halkaisijaltaan olevalla alueella vuoden aikana. Marsin nutaatio on luultavasti
huomattavasti vähäisempää, koska Marsin ytimen uskotaan olevan huomattavasti jähmeämpää
kuin maapallon sulassa tilassa oleva ulkoydin. Aikaisempien radiotutkimusten
mukaan Marsilla on erittäin tiheä ydin ja sen ulkopuolella voi olla jonkin
verran sulaa. Kuinka iso kiinteä ja sula ytimet ovat, toivottavasti selviää
tämän liikkumattoman luotaimen avulla.¨
|
Tutkijat odottavat mielenkiinnolla selvittävänsä muistuttaako Marsin rakenne enemmän Maata vai Kuuta. Kuva NASA. |
Tavanomaisempia tutkimuslaitteita edustaa laitteisto, joka
tekee mittauksia magneettikentästä, tuulen nopeudesta, lämpötilasta ja
ilmakehän paineesta. Marsin pinnalla ei ole aikaisemmin tehty mittauksia
magneettikentästä, sillä ne on aina tehty kiertoradalta.
Luotaimen ympäristöä valokuvataan kameroilla mutta
mittauksia tehdään myös radiometrillä (säteilymittaus). Kamerat tuottavat
kuvia, joiden avulla tutkijat pystyvät seuraamaan Marsin vuodenaikojen
vaihtelun aiheuttamia muutoksia luotaimen ympäristössä.
Tulevaisuutta ajatellen Insight-luotaimeen on kiinnitetty
vain 5 cm halkaisijaltaan oleva kupu, jossa on kahdeksan laserheijastinta.
Heijastimet ovat rakenteeltaan sellaisia, että siihen osunut valo heijastuu tulevan
valon suuntaan. Näin avaruudesta laitteeseen kohdistuneen lasersäteen avulla
voidaan määrittää laitteiston tarkka sijainti. Myös muut tutkimukset ovat
mahdollisia. Vastaavanlaisia heijastimia vietiin Kuuhun Apollo-ohjelman aikana
ja niiden avulla on onnistuttu selvittämään mm. se, että Kuu etääntyy Maasta
noin 3,82 cm vuodessa.