Mars Pathfinder [1] es una nave espacial robótica estadounidense que aterrizó una estación base con una sonda itinerante en Marte en 1997. Consistía en un módulo de aterrizaje , rebautizado como Carl Sagan Memorial Station , y un robot Mars ligero de 10,6 kg (23 lb) con ruedas. rover llamado Sojourner , [4] el primer rover que opera fuera del sistema Tierra-Luna.
Lanzado el 4 de diciembre de 1996 por la NASA a bordo de un propulsor Delta II un mes después del Mars Global Surveyor , aterrizó el 4 de julio de 1997 en Ares Vallis de Marte , en una región llamada Chryse Planitia en el cuadrilátero de Oxia Palus . Luego se abrió el módulo de aterrizaje , dejando al descubierto el rover que realizó muchos experimentos en la superficie marciana. La misión llevaba una serie de instrumentos científicos para analizar la atmósfera , el clima y la geología marcianos y la composición de sus rocas y suelo. Fue el segundo proyecto del Programa Discovery de la NASA , que promueve el uso de naves espaciales de bajo costo y lanzamientos frecuentes bajo el lema "más barato, más rápido y mejor" impulsado por el entonces administrador Daniel Goldin . La misión fue dirigida por el Jet Propulsion Laboratory (JPL), una división del Instituto de Tecnología de California , responsable del Programa de Exploración de Marte de la NASA . El director del proyecto fue Tony Spear del JPL .
Esta misión fue la primera de una serie de misiones a Marte que incluyeron rovers, y fue el primer módulo de aterrizaje exitoso desde que los dos Vikings aterrizaron en Marte en 1976. Aunque la Unión Soviética envió con éxito rovers a la Luna como parte del programa Lunokhod en el En la década de 1970, sus intentos de utilizar vehículos exploradores en su programa para Marte fracasaron.
Además de los objetivos científicos, la misión Mars Pathfinder también fue una "prueba de concepto" para diversas tecnologías, como el aterrizaje mediado por airbag y la evitación automática de obstáculos, ambas explotadas más tarde por la misión Mars Exploration Rover . El Mars Pathfinder también destacó por su costo extremadamente bajo en comparación con otras misiones espaciales robóticas a Marte. Originalmente, la misión fue concebida como la primera del programa Mars Environmental Survey (MESUR). [5]
El Mars Pathfinder realizó diferentes investigaciones en el suelo marciano utilizando tres instrumentos científicos. El módulo de aterrizaje contenía una cámara estereoscópica con filtros espaciales en un poste expandible llamado Imager for Mars Pathfinder (IMP), [8] [9] y el paquete de instrumentos/meteorología de estructura atmosférica (ASI/MET) [10] que actuaba como un sistema meteorológico de Marte. estación, recopilando datos sobre presión, temperatura y vientos. La estructura del MET incluía tres mangas de viento montadas en tres alturas en un poste, la más alta a aproximadamente un metro (3,3 pies) y generalmente registraba vientos del oeste. [11]
El rover Sojourner tenía un espectrómetro de rayos X de protones alfa ( APXS ), [12] que se utilizaba para analizar los componentes de las rocas y el suelo. El rover también tenía dos cámaras en blanco y negro y una en color. Estos instrumentos podrían investigar la geología de la superficie marciana desde unos pocos milímetros hasta muchos cientos de metros, la geoquímica y la historia evolutiva de las rocas y la superficie, las propiedades magnéticas y mecánicas de la tierra, así como las propiedades magnéticas del polvo. , la atmósfera y la dinámica rotacional y orbital del planeta.
El rover estaba equipado con tres cámaras CCD , todas fabricadas por Eastman Kodak Company y controladas por la CPU del rover. Las dos cámaras monocromáticas frontales servían para la navegación y estaban acopladas a cinco proyectores de rayas láser para la detección estereoscópica de peligros. Estas cámaras frontales tenían una resolución de 484 píxeles verticales por 768 horizontales y una resolución óptica capaz de discernir detalles tan pequeños como 0,6 cm (0,24 pulgadas) en un rango de 0,65 m (26 pulgadas). Las imágenes de estas cámaras podrían comprimirse utilizando el algoritmo de codificación de truncamiento de bloques (BTC).
La tercera cámara, situada en la parte trasera cerca del APXS, se utilizó para imágenes en color. Compartía la resolución de las cámaras frontales, pero se giraba 90 grados para capturar imágenes tanto del área objetivo del APXS como de las huellas del rover. Esta cámara trasera presentaba un bloque de 4x4 píxeles con sensibilidades de color específicas: 12 píxeles para el verde, dos para el rojo y dos para el infrarrojo . Todas las cámaras empleaban lentes hechas de seleniuro de zinc , que bloquea longitudes de onda de luz por debajo de 500 nm; como resultado, los píxeles azules/infrarrojos detectaron efectivamente solo luz infrarroja. Cada cámara tenía funciones de exposición automática y manejo de píxeles defectuosos. Los parámetros de la imagen, como el tiempo de exposición y los ajustes de compresión, se incluyeron en los encabezados de las imágenes transmitidas. Si se utilizara la compresión BTC en la cámara trasera, sería necesario descartar la información de color. [13]
El IMP contaba con un conjunto de filtros diseñados para registrar fenómenos superficiales y atmosféricos. Había dos cámaras, u ojos, que permitían imágenes estereoscópicas , y el conjunto de filtros era ligeramente diferente entre ellas. [16] [17] [18]
El ASI/MET registró datos de temperatura, presión y viento, durante la entrada y el descenso, y una vez en la superficie. [16] También albergaba componentes electrónicos para el funcionamiento de sensores y el registro de datos. [dieciséis]
El lugar de aterrizaje fue una antigua llanura aluvial en el hemisferio norte de Marte llamada " Ares Vallis " ("el valle de Ares", el antiguo equivalente griego de la antigua deidad romana Marte) y se encuentra entre las partes más rocosas de Marte. Los científicos la eligieron porque descubrieron que era una superficie relativamente segura para aterrizar y que contenía una amplia variedad de rocas depositadas durante una inundación catastrófica. Después del aterrizaje, en 19°08′N 33°13′W / 19,13°N 33,22°W / 19,13; -33.22 , [20] tuvo éxito, el módulo de aterrizaje recibió el nombre de Estación Memorial Carl Sagan en honor al astrónomo . [21] (Ver también Lista de monumentos extraterrestres )
Mars Pathfinder entró en la atmósfera marciana y aterrizó utilizando un innovador sistema que incluye una cápsula de entrada, un paracaídas supersónico , seguido de cohetes sólidos y grandes bolsas de aire para amortiguar el impacto.
Mars Pathfinder entró directamente en la atmósfera de Marte en dirección retrógrada desde una trayectoria hiperbólica a 6,1 km/s (14.000 mph) utilizando un aeroshell (cápsula) de entrada atmosférica que se derivó del diseño original del módulo de aterrizaje Viking Mars. El aeroshell consistía en una carcasa trasera y un escudo térmico ablativo especialmente diseñado para reducir la velocidad a 370 m/s (830 mph), donde se infló un paracaídas supersónico con banda de disco para ralentizar su descenso a través de la delgada atmósfera marciana a 68 m/s ( 150 mph). La computadora a bordo del módulo de aterrizaje utilizó acelerómetros a bordo redundantes para determinar el momento del inflado del paracaídas. Veinte segundos más tarde, el escudo térmico fue liberado pirotécnicamente. Otros veinte segundos después, el módulo de aterrizaje se separó y bajó de la carcasa trasera sobre una brida de 20 m (66 pies). Cuando el módulo de aterrizaje alcanzó 1,6 km (5200 pies) sobre la superficie, la computadora de a bordo utilizó un radar para determinar la altitud y la velocidad de descenso. La computadora utilizó esta información para determinar el momento preciso de los eventos de aterrizaje que siguieron. [22]
Una vez que el módulo de aterrizaje estuvo a 355 m (1165 pies) sobre el suelo, las bolsas de aire se inflaron en menos de un segundo utilizando tres generadores de gas. [23] Las bolsas de aire estaban hechas de cuatro bolsas vectran multicapa interconectadas que rodeaban el módulo de aterrizaje tetraedro. Fueron diseñados y probados para soportar impactos en ángulo rasante de hasta 28 m/s (63 mph). Sin embargo, como los airbags fueron diseñados para impactos verticales de no más de unos 15 m/s (34 mph), se montaron tres retrocohetes sólidos sobre el módulo de aterrizaje en la carcasa trasera. [24] Estos fueron disparados a 98 m (322 pies) sobre el suelo. La computadora a bordo del módulo de aterrizaje estimó el mejor momento para disparar los cohetes y cortar la brida para que la velocidad del módulo de aterrizaje se redujera a aproximadamente cero entre 15 y 25 m (49 y 82 pies) sobre el suelo. Después de 2,3 segundos, mientras los cohetes seguían disparando, el módulo de aterrizaje soltó las bridas a unos 21,5 m (71 pies) del suelo y cayó al suelo. Los cohetes volaron hacia arriba y se alejaron con la carcasa trasera y el paracaídas (desde entonces han sido avistados mediante imágenes orbitales). El módulo de aterrizaje impactó a 14 m/s (31 mph) y limitó el impacto a sólo 18 G de desaceleración. El primer rebote tuvo 15,7 m (52 pies) de altura y continuó rebotando durante al menos 15 rebotes adicionales (el registro de datos del acelerómetro no continuó durante todos los rebotes). [25]
Todo el proceso de entrada, descenso y aterrizaje se completó en cuatro minutos.
Una vez que el módulo de aterrizaje dejó de rodar, las bolsas de aire se desinflaron y se retrajeron hacia el módulo de aterrizaje utilizando cuatro cabrestantes montados en los "pétalos" del módulo de aterrizaje. Diseñado para enderezarse desde cualquier orientación inicial, el módulo de aterrizaje giró hacia arriba sobre su pétalo base. Ochenta y siete minutos después del aterrizaje, los pétalos fueron desplegados con el rover Sojourner y los paneles solares colocados en el interior. [26]
El módulo de aterrizaje llegó la noche a las 2:56:55 hora solar local de Marte (16:56:55 UTC) el 4 de julio de 1997. El módulo de aterrizaje tuvo que esperar hasta el amanecer para enviar sus primeras señales e imágenes digitales a la Tierra. El lugar de aterrizaje estaba ubicado a 19,30 ° de latitud norte y 33,52 ° de longitud oeste en Ares Vallis, a sólo 19 km (12 millas) al suroeste del centro de la elipse del lugar de aterrizaje de 200 km (120 millas) de ancho. Durante el Sol 1, el primer día solar marciano que el módulo de aterrizaje pasó en el planeta, el módulo de aterrizaje tomó fotografías e hizo algunas mediciones meteorológicas. Una vez recibidos los datos, los ingenieros se dieron cuenta de que uno de los airbags no se había desinflado completamente y podría ser un problema para el próximo recorrido por la rampa de descenso del Sojourner . Para solucionar el problema, enviaron órdenes al módulo de aterrizaje para que levantara uno de sus pétalos y realizara una retracción adicional para aplanar el airbag. El procedimiento fue un éxito y en Sol 2, Sojourner fue liberado, se levantó y retrocedió por una de las dos rampas. [26]
El rover Sojourner partió del módulo de aterrizaje en el Sol 2, después de su aterrizaje el 4 de julio de 1997. A medida que avanzaban los siguientes soles se acercó a unas rocas, que los científicos denominaron " Barnacle Bill ", " Yogi " y " Scooby-Doo ". después de personajes de dibujos animados famosos . El rover realizó mediciones de los elementos encontrados en esas rocas y en el suelo marciano, mientras que el módulo de aterrizaje tomó fotografías del Sojourner y el terreno circundante, además de realizar observaciones climáticas.
El Sojourner es un vehículo de seis ruedas, 65 cm (26 pulgadas) de largo, 48 cm (19 pulgadas) de ancho, 30 cm (12 pulgadas) de alto y un peso de 10,5 kg (23 libras). [27] Su velocidad máxima alcanzó 1 cm/s (0,39 pulgadas/s). Sojourner viajó aproximadamente 100 m (330 pies) en total, nunca más de 12 m (39 pies) desde la estación Pathfinder . Durante sus 83 soles de operación, envió 550 fotografías a la Tierra y analizó las propiedades químicas de 16 lugares cercanos al módulo de aterrizaje. (Ver también Rovers de exploración espacial )
El primer análisis de una roca comenzó en Sol 3 con Barnacle Bill. Se utilizó el espectrómetro de rayos X de partículas alfa (APXS) para determinar su composición; el espectrómetro tardó diez horas en realizar un escaneo completo de la muestra. Encontró todos los elementos excepto el hidrógeno , que constituye sólo el 0,1 por ciento de la masa de la roca o del suelo.
El APXS funciona irradiando rocas y muestras de suelo con partículas alfa ( núcleos de helio , que constan de dos protones y dos neutrones ). Los resultados indicaron que "Barnacle Bill" es muy parecido a las andesitas de la Tierra, lo que confirma la actividad volcánica pasada . El descubrimiento de andesitas muestra que algunas rocas marcianas han sido refundidas y reprocesadas. En la Tierra, la andesita se forma cuando el magma se asienta en bolsas de roca mientras parte del hierro y el magnesio se depositan. En consecuencia, la roca final contiene menos hierro y magnesio y más sílice. Las rocas volcánicas generalmente se clasifican comparando la cantidad relativa de álcalis (Na 2 O y K 2 O) con la cantidad de sílice (SiO 2 ). La andesita es diferente de las rocas que se encuentran en los meteoritos que provienen de Marte. [28] [29] [30]
El análisis de la roca Yogi nuevamente utilizando el APXS mostró que se trataba de una roca basáltica , más primitiva que Barnacle Bill. La forma y textura de Yogi muestran que probablemente fue depositado allí por una inundación .
Se encontró que otra roca, llamada Moe, tenía ciertas marcas en su superficie, lo que demuestra la erosión causada por el viento. La mayoría de las rocas analizadas mostraron un alto contenido de silicio . En otra región conocida como Rock Garden, Sojourner encontró dunas en forma de luna creciente, que son similares a las dunas crecientes de la Tierra.
Cuando los resultados finales de la misión fueron descritos en una serie de artículos en la revista Science (5 de diciembre de 1997), se creía que la roca Yogi contenía una capa de polvo, pero era similar a la roca Barnacle Bill. Los cálculos sugieren que las dos rocas contienen principalmente los minerales ortopiroxeno (silicato de magnesio y hierro), feldespatos (silicatos de aluminio de potasio, sodio y calcio) y cuarzo (dióxido de silicio), con cantidades más pequeñas de magnetita, ilmenita, sulfuro de hierro y Fosfato de calcio. [28] [29] [30]
La computadora integrada a bordo del rover Sojourner se basó en una CPU Intel 80C85 de 2 MHz [31] con 512 KB de RAM y 176 KB de memoria flash de almacenamiento de estado sólido , ejecutando un ejecutivo cíclico . [32]
La computadora del módulo de aterrizaje Pathfinder era una CPU IBM Risc 6000 Single Chip (Rad6000 SC) resistente a la radiación con 128 MB de RAM y 6 MB de EEPROM [33] [34] y su sistema operativo era VxWorks . [35]
La misión se vio comprometida por un error de software simultáneo en el módulo de aterrizaje, [36] que se había encontrado en las pruebas previas al vuelo, pero se consideró un problema técnico y, por lo tanto, se le dio baja prioridad, ya que solo ocurría en ciertas condiciones imprevistas de carga pesada, y el enfoque era en la verificación del código de entrada y aterrizaje. El problema, que fue reproducido y corregido desde la Tierra mediante un duplicado de laboratorio gracias a la funcionalidad de registro y depuración habilitada en el software de vuelo, se debió a reinicios de la computadora provocados por la inversión de prioridad . No se perdió ningún dato científico o de ingeniería después de reiniciar la computadora, pero todas las operaciones siguientes se interrumpieron hasta el día siguiente. [37] [38] Se produjeron cuatro reinicios (los días 5, 10, 11 y 14 de julio) durante la misión, [39] antes de parchear el software el 21 de julio para habilitar la herencia prioritaria . [40]
El módulo de aterrizaje envió más de 2.300 millones de bits (287,5 megabytes) de información, incluidas 16.500 imágenes, y realizó 8,5 millones de mediciones de la presión atmosférica , la temperatura y la velocidad del viento. [41]
Al tomar múltiples imágenes del cielo a diferentes distancias del Sol, los científicos pudieron determinar que el tamaño de las partículas en la neblina rosa era de aproximadamente un micrómetro de radio. El color de algunos suelos era similar al de una fase de oxihidróxido de hierro, lo que respaldaría la teoría de un clima más cálido y húmedo en el pasado. [42] Pathfinder llevaba una serie de imanes para examinar el componente magnético del polvo. Finalmente, todos los imanes menos uno desarrollaron una capa de polvo. Dado que el imán más débil no atraía tierra, se concluyó que el polvo en el aire no contenía magnetita pura o solo un tipo de maghemita . El polvo probablemente era un agregado posiblemente cementado con óxido férrico (Fe 2 O 3 ). [43] Utilizando instrumentos mucho más sofisticados, el rover Mars Spirit descubrió que la magnetita podría explicar la naturaleza magnética del polvo y el suelo de Marte. Se encontró magnetita en el suelo y la parte más magnética del suelo estaba oscura. La magnetita es muy oscura. [44]
Utilizando seguimiento Doppler y alcance bidireccional , los científicos agregaron mediciones anteriores de los módulos de aterrizaje Viking para determinar que el componente no hidrostático del momento de inercia polar se debe al abultamiento de Tharsis y que el interior no está derretido. El núcleo metálico central tiene entre 1.300 y 2.000 km (810 y 1.240 millas) de radio. [28]
Aunque se planeó que la misión durara entre una semana y un mes, el rover funcionó con éxito durante casi tres meses. La comunicación falló después del 7 de octubre [45] con una transmisión de datos final recibida de Pathfinder a las 10:23 UTC del 27 de septiembre de 1997. Los administradores de la misión intentaron restaurar las comunicaciones completas durante los siguientes cinco meses, pero la misión terminó el 10 de marzo. 1998. Durante la operación extendida se estaba realizando un panorama estéreo de alta resolución del terreno circundante, y el rover Sojourner debía visitar una cresta distante, pero el panorama sólo estaba completado en aproximadamente un tercio y la visita a la cresta no había comenzado cuando se comunicó fallido. [45]
Es posible que la batería de a bordo, diseñada para funcionar durante un mes, haya fallado después de repetidas cargas y descargas. La batería se utilizó para calentar los componentes electrónicos de la sonda ligeramente por encima de las temperaturas nocturnas esperadas en Marte. Con la falla de la batería, las temperaturas más frías de lo normal pueden haber provocado la rotura de piezas vitales, lo que provocó la pérdida de comunicaciones. [45] [46] La misión había superado sus objetivos en el primer mes.
Mars Reconnaissance Orbiter detectó el módulo de aterrizaje Pathfinder en enero de 2007 (ver foto). [47] [48]
El nombre Sojourner fue elegido para el rover Mars Pathfinder cuando Valerie Ambroise, de 12 años, de Bridgeport, Connecticut, ganó una competencia mundial de un año de duración en la que se invitó a estudiantes de hasta 18 años a seleccionar una heroína y presentar un ensayo sobre sus logros históricos. Se pidió a los estudiantes que abordaran en sus ensayos cómo un vehículo planetario llamado así en honor a su heroína trasladaría estos logros al entorno marciano.
Iniciado en marzo de 1994 por la Sociedad Planetaria de Pasadena, California, en cooperación con el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA, el concurso comenzó con un anuncio en la edición de enero de 1995 de la revista Science and Children de la Asociación Nacional de Profesores de Ciencias , que circuló entre 20.000 profesores y escuelas en todo el país. [49]
El ensayo ganador de Ambroise, que sugería nombrar al vehículo explorador en honor a la activista por los derechos de las mujeres del siglo XIX Sojourner Truth , fue seleccionado entre 3.500 ensayos. La primera finalista fue Deepti Rohatgi, de 18 años, de Rockville, Maryland, quien sugirió a la científica Marie Curie . El segundo finalista fue Adam Sheedy, de 15 años, de Round Rock, Texas, quien presentó el nombre de la fallecida astronauta Judith Resnik , que falleció en la explosión del transbordador espacial Challenger en 1986 . Otras sugerencias populares incluyeron al explorador y guía Sacajewea y a la aviadora Amelia Earhart . [50]
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