Schiaparellin tietokoneohjelmassa oli vika

Euroopan avaruusjärjestö ESA julkaisi eilen (23.11.) alustavan selonteon Schiaparelli-luotaimen syöksystä Marsion pintaan. Raportin mukaan luotaimen inertiaohjausyksikössä tapahtui noin 1 sekunnin mittainen häiriö, joka kuitenkin ehti sekoittaa koko laskeutumisjärjestelmän.

Häiriön seurauksen laskeutumisjärjestelmän korkeus tieto muuttui negatiiviseksi, eli se olisi ollut pinnan alapuolella. Tästä seurasi laskuvarjon ja lämpösuojan ennenaikainen irtoaminen ja jarrurakettien lyhyt poltto, jonka jälkeen aktivoituivat järjestelmä jotka olisi otettu käyttöön laskeutumisen jälkeen. Todellisuudessa Schiaparelli oli vielä 3,7 km korkeudella ja putosi minkään estämättä Marsin pintaan tuhoisin seurauksin.

Vaikka Schiaparelli tuhoutui, se ehti kuitenkin tehdä joitakin ilmakehän koostumukseen liittyviä havaintoja. Schiaparelli oli ESAn ja Roscomoksen (Venäjä) yhteistä ExoMars-ohjelmaa, jonka ensimmäinen vaihe Marsin kiertoradalle onnistuneesti asettunut Trace Gas Orbiter /TGO) yhdessä Schiaparellin kanssa kuului. Toinen vaihe on Marsiin laskeutuva ExoMars-kulkija, joka laukaistaan matkaan 2020.

Schiaparelli näyttää räjähtäneen

MRO-luotaimen ottamat värikuvat laskeutumis-
luotaimen törmäyspaikasta ja laskuvarjosta.
Kuva ESA.

Euroopan avaruusjärjestön Schiaparelli-laskeutumisluotain näyttää räjähtäneen törmättyään Marsin pintaan 19. lokakuuta. Tällaiseen tulokseen ESA on tullut, tutkittuaan marraskuun 1. päivänä Mars Reconnaissance Orbiter -luotaimen ottamia värikuvia.

Värikuvat paljastavat vaaleita kappaleita putoamispaikan ympäristössä ja itse törmäyskohdasta lähtee säteittäisesti tummia juovia, joita tutkijat arvelevat räjähdyksen aiheuttamaksi nokivanoiksi ja siirtyneeksi pintamateriaaliksi. Tutkijat ovat siinä käsityksessä, että luotaimen jarrutus moottoreilla ehti kestää vain kolme sekuntia ennen törmäystä. Suunnitelmissa oli 30 sekunnin jarrutus, joten polttoainetta oli ehtinyt kulua vain noin 10 % joten tömäys 84 m/s nopeudella räjäytti kaiken käyttämättömän polttoaineen.

Noin 900 metrin etäisyydellä törmäyskohdasta etelään on laskuvarjo, jolla luotaimen vauhtia hidastettiin ennen rakettimoottoreiden käynnistystä. Se irrotettiin yhdessä takimmaisen lämpökilven kanssa suunnitelmien mukaisesti. Laskuvarjo putosi Marsin pinnalle ja lämpökilpi on ankkuroinut sen paikoilleen. Itse varjo lepattelee Marsin tuulten osuessa siihen.

Schiaparelli törmäsi tonttiin

Ennen ja jälkeen törmäyksen. Kuvat otettiin MRO-luotaimen

matalaresoluutioisella kameralla. 

Kuva NASA/JPL-Caltech/MSSS

Euroopan avaruusjärjestön (ESA) ja venäläisen RosCosmos:n yhteishankkeen ExoMars suunnitelman ensimmäisen vaiheen Marsiin laskutumaan suunnitellun Sciaparellin-luotaimen kohtallo selkenee vähitellen. Nyt näyttää siltä, että laskeutuminen päättyi luotaimen rysähtämiseen Marsin pintaan melkoisella vauhdilla.

Schiaparellin laskeutumisaluetta on kuvattu Marsin kiertoradalla olevalla Mars Reconnaissance Orbiter -luotaimen matalaresoluutioisella kameralla. Kuvista on löytynyt uusia yksityiskohtia, joita siellä ei ole aikaisemmin ollut. Ensimmäinen yksityiskohta on noin 12 m kokoinen vaalea alue, jota ESAn insinöörit pitävät Schiaparellin laskuvarjona.

Laskuvarjosta pohjoiseen noin kilometrin verran on tumma sumea alue, jolla on kokoa 15×40 metriä. Tämän alueen on tulkittua olevan Schiaparellin törmäyskohta. Ilmeisesti luotain oli vapaapudotuksessa suunniteltua pidemmän matkan. Alun perin vapaa pudotusta oli vain parin metrin verran. Nyt arviot putoamisesta ovat, että se saattoi alkaa jopa 4 km korkeudelta. Törmäysnopeus on voinut olla jopa 80–90 m/s. On myös luultavaa, että luotain räjähti törmäyksessä.

MRO-luotaimen suurtarkkuuskameralla tullaan ottamaan alueesta tarkempia kuvia ensiviikon aikana. Lämpökilven putoamispaikkaa ei vielä ole löydetty, mutta sen uskotaan löytyvän ensiviikolla otettavista kuvista. Törmäyspaikka on noin 5,4 km länteen suunnitellun laskeutumisalueen keskeltä, joka on kooltaan 100×15 km ellipsi.

Aivan hukkaan Schiaparellin kokoamat tiedot eivät sentään joutuneet. Luotain radio mittausdataa reaaliaikaisesti laskeutumisensa aikana ja näitä tietoja tutkijat juuri nyt analysoivat.

ExoMars ohjelmaan kuuluva Trace Gas Orbiter on nyt 101 000 km x 3691 km kiertoradalla ja yhteen kierrokseen kuluu 4,2 vuorokautta. TGO toimii hyvin, sen instrumentit kalibroidaan lähiviikkoina ja ensivuoden maaliskuussa se aloittaan ilmajarrutusten sarjan, jonka tuloksen luotain lopulta pääsee noin 400 km korkeudessa olevalle ympyräradalle. Tieteelliset havainnot tutkimusohjelman mukaisesti aloitetaan vuoden 2018 keväällä, joskin kaikenlaista dataa sitä ennen luotaimesta kyllä saadaan.

Hyviä ja huonoja uutisia Marsista

Taiteilijan näkemys TGO-luotaimen jarrutuspoltosta.
Kuva ESA.

Exo-Mars lento Marsiin^[1] on osittain onnistunut ja osittain epäonnistunut, tai ainakin vahvasti tällä hetkellä siltä näyttää. Exo-Mars-suunnitelmaan kuuluva Trace Gas Orbiter (TGO)^[2] asettui Marsia kiertävälle radalle tehtyään 139 minuuttia kestäneen jarrutusmoottorien polton. 

Luotain on nyt kiertoradalla, joka vie sen noin 4000 km korkeuteen Marsin pinnasta radan lähimmässä pisteessä ja noin 96 000 km korkeuteen radan etäisimmässä pisteessä.

TGOn mukan Marsiin matkasi Schiaparelliksi nimetty laskeutumista testaava luotain^[3]. Luotaimet irrotettiin toisistaan viime sunnuntaina (16.10.2016) ja sen jälkeen laskeutumisalus suuntasi kulkunsa kohti Marsin ilmakehää. Ilmakehään Schiaparelli saapui kello 17:42 Suomen aikaa^[4].

Laskeutumisen alkuvaiheessa luotaimen suojana käytettiin lämpökilpeä. Tämän jälkeen sen putoamista jarrutettiin laskuvarjolla ja lopulta tarkoitus oli hidastaa laskeutumisvauhtia jarruraketein. Aivan pari viimeistä metriä oli tarkoitus pudota vapaasi ja iskua vaimentamaan luotaimeen oli rakennettu luhistuvia kennoja ja ilmapatja.

Alkuun kaikki tuntui sujuvan suunnitelmien mukaisesti. Luotain avasi laskuvarjon, poisti lämpökilven ja vaihdin hidastuttua tarpeeksi, irrottautui laskuvarjostaan. Tämän jälkeisistä vaiheista ei toistaiseksi tiedetä mitään.

Laskeutumisen vaiheita seurattiin lyhyillä radiopulsseilla, jotka kertoivat on-off-tietoa laskeutumisen eri vaiheiden kulusta. Laskuvarjosta irtautumisen jälkeen ei kuitenkaan ole onnistuttu vastaanottamaan minkäänlaista signaalia. Tämä voi merkitä sitä, että jonkin on mennyt pahasti pieleen tai vain sitä, että radiosignaalin kuuluvuus on ollut yllättävän heikko jostakin syystä, jota ei ole osattu ennakoimaan. Tällainen syy voi olla paikallinen pölymyrsky.

ESAn tutkijat ja insinöörit pyrkivät kuitenkin löytämään mahdollisen radiosignaalin. Tässä apuna toimii kiertoradalla oleva TGO-luotain, jonka on tarkoitus toimia radiolinkkinä Marsin pinnalta kerätylle datalle.  Schiaparelli saa energiansa akuista, joiden kapasiteetti riittää vain muutaman vuorokauden toimintaan. Tässä suhteessa insinööreillä painaa tiukka aikataulu, sillä laskeutumisalus vaikenee joka tapauksessa parin vuorokauden sisällä vaikka se olisikin päätynyt toimintakuntoisena Marsin pinnalle.

Katso myös artikkelia http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2016/10/exomars-saapuu-marsiin.html

Huomautukset

[1] Exo-Mars suunnitelma on Euroopan avaruusjärjestön (ESA) ja venäläisen Roscosmos:n yhteishanke kaksivaiheisen tutkimusluotaimien lähettämiseksi Marsiin. Nyt toteutuksessa oleva TGO-Schiaparelli -luotainpari on tämän ohjelman ensimmäinen vaihe. Toinen vaihe on ensivuosikymmenellä Marsiin laskeutuva kulkija.

[2] TGA asettuu aluksi elliptiselle Marsin kiertoradalle, jonka se saavutti kello 18:24 Suomen aikaa. Vuoden 2017 maaliskuussa luotain aloittaa ilmajarrutusta käyttäen ratansa muokkaamisen siten, että vuoden lopussa sen rata on noin 400 km korkeudessa oleva ympyrä rata. Tieteelliset havainnot luotain aloittaa vuoden 2018 maaliskuussa.

[3] Schiaparelli on erilaisia laskeutumistekniikoita testaava luotain. Sen tieteellistekninen painoarvo on siis (onnistuneessa) laskeutumisessa, ei niinkään tehtävissä mittauksissa. Aivan kuollutta painolasti se ei kuitenkaan ollut, vaan siihen oli kiinnitetty kamera, jonka tarkoituksena oli valokuvata laskeutumisen aikana 15 mustavalkoista kuvaa ja mitata ilmantiehyttä, painetta ja lämpötilaa noin 130 km korkeudella. Sen lisäksi se olisi tehnyt Marsin pinnalla lämpötila, tuulen nopeus-, kosteus ja muita sääolojen mittauksia.

[4] Schiaparellin laskeutumisalueeksi oli valittu Meridiani Planum. Jos paikka kuulostaa tutulta, niin samalla tasangolle laskeutui Nasan marskulkija Opportunity vuonna 2004.

Exomars saapuu Marsiin

Taiteilijan näkemys TGO ja Schiaparellin lähestymisesta
Marsiin. Kuva ESA.

Euroopan avaruusjärjestö (ESA) uusi marsluotain Exomars^[1] saapuu  perille Marsiin 19. lokakuuta. Exomars koostuu kahdesta luotaimesta: Trace Gas^[6] Orbiter (TGO)^[2] asettuu Marsia kiertävälle radalle, ja toinen luotain on Marsiin laskeutuva Schiaparelli, joka irtoaa 16. lokakuuta ja tekee kuusi minuuttia kestävän laskeutumisen Meridiani Planumiin 19.lokakuuta.

TGOn tietieelliset^[4] havainnot alkava vasta joulukuussa 2017 ja kestävät luotaimen toiminta-ajan loppuun. Luotaimen tehtävän on kartoittaa Marsin ilmakehän kaasuja kuten jalokaasuja, metaania ja pyrkiä keräämään havaintoja, joiden perusteella tutkijat pystyvät ratkaisemaan mistä lähteestä (geologinen vai biologinen) Marsin ilmakehässä aikaisemmin havaittu metaani on peräisin.

Vuoden 2017 aikana TGO tekee sarjan ilmajarrutuksia^[7], joiden tuloksen luotaimen rata muuttuu ympyräradaksi. Luotaimen on tarkoitus toimia myös vuoden 2020 Marsiin laskeutuvan Exomars 2020 Roverin radiolinkkinä sen kulkiessa Marsin pinnalla.

Schiaparelli puolestaan kokeile useita erilaisia laskeutumismenetelmiä laskeutumisen aikana. Ensimmäisessä vaiheessa sen saapuessa Marsin ohueen ilmakehään luotaimen suojana on lämpökilpi. Vauhdin hidastuttua merkittävästi laskeutujan laskuvarjo avautuu, ja lämpökilpi irrotetaan. 

Laskuvarjon varassa luotain leijuu alemmaksi ilmakehään. Ennen Marsin pinnan saavuttamista laskuvarjo irrotetaan ja käyttöön otetaan jarrumoottorit, jotka hidastavat laskeutumisnopeuden nollaan muutaman metrin korkeudessa pinnasta.

Tässä vaiheessa otetaan täysin uusi laskeutumisjärjestelmä käyttöön. Schieparelliin on nimittäin rakennettu ilmatyyny ja muotoaan muuttavia suojarakenteita, jotka luhistuvat kasaan luotaimen pudotessa vapaasti viimeiset parin metrin matka Marsin pinnalle samalla vaimentaen törmäysiskua.

Schiaparelli ei ole pelkästään kokeiluluontoinen laskeutumisalus, vaan sen mukana Marsiin viedään pieni tieteellisten havaintojen instrumenttipaketti^[5]. Laskeutuja tekee havaintoja tuulennopeudesta, kosteudesta, ilmanpaineesta ja lämpötilasta laskeutumispaikalla. Luotaimessa on myös sähkökenttiä mittaava laitteisto, jolla pyritään selvittämään Marsissa silloin tällöin koko planeetan kattavien ja paikallisten pölymyrskyjen syntymistä.

Yllä oleva video havainnollistaa Schiaparelli-luotaimen laskeutumisen eri vaiheita. Video ESA.

Huomautukset

[1] Exomars laukaistiin kohti Marsia venäläisellä Proton-M-kantoraketilla  Baikonurista Kazakstanista heti laukaisuikkunan avauduttua maaliskuun 14 päivänä 2016.

[2] TGO kokonaismassa Marsin kiertoradalla on 3732 kg, josta tieteellisiä instrumentteja on 113,8 kg. Luotaimen koko on 3,5×2× m, aurinkopaneelien pituus on 17,5 m.

[3] Schiaparelli kokonaismassa on 600 kg ja halkaisija 1,65 m.

[4] TGOn istrumentit ovat: Ilmakehän kemian tutkimuslaitteisto (ACS), kamerajärjestelmä (CaSSIS), erotuskykyinen epitermisten neutronien ilmaisin (FREND) ja Marsin nadiiri ja peittymistutkimuslaitteisto (NOMAD)

[5] Schiaperellin havaintolaitteet ovat: Ilmakehän laskeutumisaikainen tutkimus- ja analyysilaitteisto (AMELIA), Aerothermaalinen ja radiometrinen sensori paketti (COMARS+), laskeutumiskamera (DeCa), laskeutumislasermittalaitteisto (INRRI), Marsin pinnan pöly- ja ympäristöanalysaattori (DREAMS).

[6] Trace Gas (kaasujäljet) muodostuvat Marsin ilmakehässä olevista kaasuista, joiden kokonaismäärä on alle 1 %. Merkittävin kaasuista on metaani, jota on Marsin ilmakehässä vain 10 miljardisosaa (ppb). Muita kaasuja ovat vesihöyry, typpidioksidi ja asetyleeni.

Metaani on selvästi hieman ongelmallinen kaasu, sillä se pitäisi hävitä Marsin ilmakehästä tyystin noin 400 vuodessa. Näin ollen sitä täytyy vapautua jostakin lähteestä pieniä määriä jatkuvasti, tutkijat vain eivät tunne tätä lähdettä. Metaania syntyy kahdenlaisissa prosesseissa: geologisesti erilaisten vulkaanisten ilmiöiden yhteydessä tai sitten biologisissa prosesseissa kuten bakteerien aineenvaihdunnan tuotoksena.

Mars on kuitenkin ajateltu olevan geologisesti passiivinen planeetta, joten jos kaasulähteeksi paljastuu ei-biologinen alkuperä, tutkijat joutuvat muuttamaan käsitystään planeetan geologian suhteen. Jos taas metaanin lähteenä ovat biologiset prosessit, niin tilanne muuttuu entistä mielenkiintoisemmaksi ja Marsin tutkimus saa uutta puhtia purjeisiin.

[7] TGO asettuu aluksi Marsin kiertoradalle, jonka lähin piste on 250 km korkeudessa Marsin pinnasta ja etäisin piste 100 000 km etäisyydellä.  Kiertoaika tällä radalla on 4 vuorokautta. Tammikuun puolivälissä (2017) TGOn radan inklinaatiota muutetaan 74 asteeseen, jolloin tieteelliset havainnot kattavat käytännöllisesti katson koko planeetan.  

Seuraava vaihe on radan muuttaminen pyöreäksi. Se vaatii satakunta ilmajarrutusta Marsin tiheimpiin ilmakehän osiin ja lopullinen ympyrärata tulee olemaan noin 400 km korkeudella.